石墨烯“人造原子”，开启新世界大门

材料牛注：随着量子卫星的发射成功，量子信息的传导越来越受到人们的关注。利用石墨烯制备的“人造原子”，具备普通材料所没有的四重量子态，在量子信息的传递上前景广阔。除此之外，它的各项特性使其量子材料的研究提供了多种可能。

扫描隧道显微镜附加磁场引导下观察到的局部稳定石墨烯的电子态图

电子在小型量子阱中与未经束缚时的状态大不相同，就像在原子中的电子一样，它们只能占有离散能级。正是由于这个原因，这种量子阱也被称作“人造原子”。人造原子同样拥有不同于量子阱的特性，其在量子计算中也大有应用潜力。这些附加属性如今在石墨烯碳材料的人造原子中得以体现。这项由维也纳技术大学（奥地利）、亚深工业大学（德国）和曼彻斯特大学（英国）的科学家取得的科研成果已经发表于期刊 Nano Letters。

制备人造原子

“人造原子打开了一扇新世界的大门，我们可以直接调整它们的性能。”维也纳技术大学的Joachim Burgdörfer教授说。在诸如砷化镓的半导体材料中，利用小型势阱捕获电子已成为可能，这些势阱也被称为“量子点”。就像在原子中一样，势阱中的电子只能围绕核心做圆周运动，因而量子点中的电子被分离成离散的量子态。

不仅如此，石墨烯的应用更是开启了材料研究的新的可能，近年来材料界对这种含有单层碳原子的材料给予了高度的关注。“在大多数材料中，能量一定的电子只能占据两个不同的量子态，高对称的石墨烯晶格可使其占据四个量子态，这为量子信息的获取和存储提供了新方法。”维也纳技术大学的Florian Libisch解释说。然而，在石墨烯中制备易于控制的人造原子也是一项难度不小的挑战。

边缘切割法已不能满足要求

制备人造原子的方法各有不同：最简单的方法即将电子置于薄片上，切出一薄层材料。尽管这一方法在石墨烯材料上很适用，但其对称性被破坏，切割下来的薄层也不能极尽平滑。最终，石墨烯材料中特殊的四重量子态又降为两个。

因此，我们发现了与此不同的制备方法：单纯利用微小石墨烯薄片去捕获电子是远远不够的，将电场和磁场进行巧妙组合，利用复合场去捕捉电子才是更好的途径。通过扫描隧道显微镜，我们可以对材料局部施加电场。这样，我们可以在石墨烯表面建立捕获低能电子的微小区域。与此同时，利用磁场将电子囚禁在圆周轨道中。“如果只施加电场的话，电子很快就会在量子效应的作用下从中挣脱。” Libisch说。

这种人造原子由亚深工业大学Markus Morgenstern教授团队中的成员Nils Freitag和Peter Nemes-Incze进行了精确测量，由维也纳技术大学的Larisa Chizhova、Florian Libisch和Joachim Burgdörfer建立了模拟理论模型。英国曼彻斯特大学的Andre Geim和Kostya Novoselov制备了清晰明了的石墨烯样品，这两位科学家也因为石墨烯薄片材料的制备工作而首次获得2010年诺贝尔奖。

这种新型人造原子为许多量子科技实验提供新的空间。“四种能量相同的局部电子态使得不同量子态与存储信息之间的转换变为现实。”Joachim Burgdörfer说。电子可长时间任意叠加，此乃量子计算机所需的完美特性。另外，这一新方法有其扩展性的巨大优势：它可适用于薄片上的不同人造原子，并将其运用于量子信息之中。

原文链接：'Artificial atom' created in graphene。

文献链接：Electrostatically Confined Monolayer Graphene Quantum Dots with Orbital and Valley Splittings。

本文由编辑部杨洪期提供素材，张文扬编译，点我加入材料人编辑部。