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具有扭曲的分层石墨烯在二维中显示出独特的量子限制

导读 纽约州阿普顿——研究双层石墨烯两种不同结构的科学家——二维 (2-D) 原子薄形式的碳——已经检测到电子和光学层间共振。在这些共振状态

纽约州阿普顿——研究双层石墨烯两种不同结构的科学家——二维 (2-D) 原子薄形式的碳——已经检测到电子和光学层间共振。在这些共振状态下,电子以相同的频率在二维界面的两个原子平面之间来回弹跳。通过表征这些状态,他们发现将一个石墨烯层相对于另一个扭曲 30 度,而不是将这些层直接堆叠在彼此的顶部,将共振转移到较低的能量。从这个结果,刚刚发表在《物理评论快报》上,他们推断出,与堆叠结构相比,在扭曲结构中两层之间的距离显着增加。当该距离发生变化时,层间相互作用也会发生变化,从而影响电子在双层系统中的移动方式。对这种电子运动的理解可以为未来量子技术的设计提供信息,以实现更强大的计算和更安全的通信。

“今天的计算机芯片基于我们对电子如何在半导体中移动的知识,特别是硅,”第一作者和共同通讯作者戴忠伟说,他是美国功能纳米材料中心 (CFN) 界面科学与催化组的博士后。美国能源部 (DOE) 的布鲁克海文国家实验室。“但是,硅的物理特性正在达到一个物理极限,即可以制造多小的晶体管以及可以在芯片上安装多少个晶体管。如果我们能够理解电子如何在二维材料的缩小尺寸中以几纳米的小尺度移动,我们或许能够开启另一种将电子用于量子信息科学的方法。”

在几纳米或十亿分之一米处,材料系统的大小与电子波长的大小相当。当电子被限制在其波长尺寸的空间中时,材料的电子和光学特性会发生变化。这些量子限制效应是量子力学波状运动的结果,而不是经典机械运动的结果,在经典机械运动中,电子在材料中移动并被随机缺陷散射。

对于这项研究,该团队选择了一个简单的材料模型——石墨烯——来研究量子限制效应,应用两种不同的探针:电子和光子(光粒子)。为了探测电子和光学共振,他们使用了一种特殊的基板,石墨烯可以转移到该基板上。共同通讯作者、CFN 界面科学与催化组科学家 Jurek Sadowski 之前曾为量子材料压机 (QPress) 设计过这种基板。QPress 是 CFN 材料合成和表征设施中正在开发的自动化工具,用于层状二维材料的合成、处理和表征。通常,科学家在几百纳米厚的二氧化硅基底上从 3-D 母体晶体(例如,石墨烯中的石墨)剥离 2-D 材料“薄片”。然而,该基板是绝缘的,因此基于电子的询问技术不起作用。因此,Sadowski 和 CFN 科学家 Chang-Yong Nam 和石溪大学研究生 Ashwanth Subramanian 在二氧化硅基板上沉积了一层仅 3 纳米厚的氧化钛导电层。

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