中国粉体网讯 电子在微小的量子“监狱”里的行为与它们在自由空间里的表现相比有很大的不同。它们只能占据离散的能级，就像原子中的电子那样——为此，常常把这种电子的“监狱”称为“人工原子”。人工原子还可能具有那些传统原子不具有的特性，使之具有在很多应用方面的潜力例如量子计算。现在在石墨烯的人工原子中出现了一些这一类的额外属性。该研究结果发表在了《Nano Letters》杂志上，该项目由来自维也纳技术大学(位于奥地利维也纳)，亚琛工业大学(德国)和曼彻斯特大学(英国)的科学家合作完成。
制造人工原子
“人工原子开辟了新的令人兴奋的可能性，因为我们可以直接调节其性能，”维也纳技术大学的Joachim Burgdorfer教授说。在例如砷化镓等半导体材料中，将电子困在微小的限制区域内已经被证明是可能的。这些结构通常被称为“量子点”。就像在原子中电子只能在某些轨道上绕原子核运动一样，这些量子点中的电子被强制进入离散的量子态。
而通过使用石墨烯——一种在过去几年里已经引起了大量关注的由单层碳原子组成的材料，更多有趣的可能性也被开拓了出来。“在大多数材料中，电子可以占据一个给定的能量中的两个不同的量子态。但是石墨烯晶格的高对称性允许电子占据四个不同的量子态。这为量子信息的处理和存储开辟了新的途径，”维也纳技术大学的Florian Libisch解释说。然而，在石墨烯中制作得到很好控制的人工原子被证明是非常具有挑战性的。
切割边缘是不够的
有不同的方法来制造人工原子：最简单的方法是把电子放进微小的碎片内，然后切出薄薄一层材料。虽然这个方法在石墨烯上也起作用，但是材料的对称性被碎片的边缘破坏了，因为其边缘是不可能完全光滑的。因此，石墨烯中特殊的四重量子态缩减成了传统材料的双重量子态。
因此，必须找到不同的方法：使用小的石墨烯碎片来捕获电子不是必要的。使用电场和磁场的巧妙组合是一个更聪明的选择。通过扫描隧道显微镜的尖端，可以在局部施加一个电场。这样，石墨烯表面上就形成了一个微小的区域，低能电子可以被束缚在该区域内。同时，通过施加一个磁场，这些电子被迫进入微小的圆形轨道。“如果我们只使用电场，则量子效应会使电子迅速的离开陷阱”Libisch解释说。
这些人工原子由Markus Morgenstern教授的小组里的Nils Freitag和Peter Nemes-Incze在亚琛工业大学完成测量。而其模拟和理论模型则是由Larisa Chizhova，Florian Libisch和Joachim Burgdörfer在维也纳技术大学开发的。而这些异常干净的石墨烯样品则来自英国曼彻斯特大学Andre Geim和Kostya Novoselov的团队——此二人因为首次制出石墨烯片而获得2010年诺贝尔奖。
这些新的人工原子现在为许多量子技术实验开辟了新的可能性：“具有相同的能量的四局域电子态使得在不同的量子态之间进行从而存储信息成为可能，”Joachim Burgdörfer。电子能长时间保存任意叠加态，这是量子计算机所需的理想特性。此外，新的方法具有可扩展性这个大优点：在一个小芯片上放置许多个这样的人工原子以在量子信息应用中使用它们应该是可能的。
