倾斜石墨烯结构,或可推动量子计算发展

文|陈根

石墨烯是一种电阻率极小的材料,电子能够高效地在材料中迁移,远远高出电子在硅、铜等传统半导体和导体中的速率,这使得石墨烯具有非常好的导电性。

自从石墨烯在2004年被发现以来,科学家们一直在寻找将这种2D材料投入使用的方法。因其原子般薄的结构,加上强大的电子和导热性,在电子和存储设备的开发中展现出较大潜力。

近日,布鲁克海文国家实验室、宾夕法尼亚等大学研究人员发现了电子在双层石墨烯(碳的原子厚度形式)的两种不同配置中的移动机制。未来,或可为开发出更强大和更安全的量子计算平台提供新思路。

通常情况下,计算机芯片是基于对电子如何在半导体,特别是硅中移动的了解。但是,硅的物理特性正在达到一个极限,即可以制造多小的晶体管,以及一个芯片上可以容纳多少个。如果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,或许就能够解开另一种利用电子进行量子信息科学的方法。

往往,当一种材料被设计成这些小尺度,达到几纳米大小时,其会将电子限制在一个尺寸与自身波长相同的空间,导致材料的整体电子和光学特性发生变化,这一过程被称为量子限制。为此,研究人员使用石墨烯来研究电子和光子(或光的粒子)的这些禁锢效应。

研究人员使用一种独特的梯度合金生长基质来生长具有三种不同领域结构的石墨烯:单层、贝纳尔叠层和扭曲的双层。然后,石墨烯材料被转移到一种特殊基底上,使研究人员能够探测该系统的电子和光学共振。

探测结果显示:电子在2D界面上以相同的频率来回移动。在配置中,两层材料之间的距离明显增加,影响了电子如何因为层间相互作用而移动。此外,将其中一个石墨烯层倾斜30度,也会将共振转移到一个较低的能量上去,且电子可以增加在其中移动的层间间距。

未来,研究人员将利用倾斜的石墨烯制造新的设备,同时在这项研究结果的基础上,观察向层状石墨烯结构添加不同的材料如何影响下游的电子和光学性能。

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