Физик Хайро Веласко-младший (слева) и аспирант Чжэхао Гэ в лаборатории Веласко в Калифорнийском университете в Санта-Крус. За ними стоит сканирующий туннельный микроскоп (СТМ), который они используют для создания и изучения графеновых квантовых точек. Кредит: Тяньхуэй Чжу

Электроны в графене (атомарно тонкая форма углерода) ведут себя так, как если бы они были безмассовыми, подобно фотонам, которые являются безмассовыми частицами света. Хотя графеновые электроны не движутся со скоростью света, они демонстрируют такое же соотношение энергии и импульса, как и фотоны, и могут быть описаны как «ультрарелятивистские». Когда эти электроны заключены в квантовой точке, они движутся с высокой скоростью по круговым петлям вокруг края точки.

«Эти токовые петли создают магнитные моменты, которые очень чувствительны к внешним магнитным полям », — объяснил Хайро Веласко-младший, доцент физики Калифорнийского университета в Санта-Крус. «Чувствительность этих токовых петель связана с тем фактом, что электроны графена ультрарелятивистские и движутся с высокой скоростью ».

Веласко является соавтором статьи о новых открытиях, опубликованной 6 марта в журнале Nature Nanotechnology. Его группа из Калифорнийского университета в Санта-Крузе использовала сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) для создания квантовых точек в графене и изучения их свойств. Его сотрудники по проекту включают ученых из Манчестерского университета, Великобритания, и Национального института материаловедения в Японии.

«Это была очень совместная работа», — сказал Веласко. «Мы провели измерения в моей лаборатории в Калифорнийском университете, а затем очень тесно сотрудничали с физиками-теоретиками из Манчестерского университета, чтобы понять и интерпретировать наши данные».

Уникальные оптические и электрические свойства квантовых точек, которые часто состоят из полупроводниковых нанокристаллов, обусловлены тем, что электроны заключены в наноразмерную структуру, так что их поведение регулируется квантовой механикой . Поскольку полученная электронная структура подобна структуре атомов, квантовые точки часто называют «искусственными атомами». Подход Веласко создает квантовые точки в различных формах графена, используя электростатический «загон», чтобы удерживать мчащиеся электроны графена.

«Часть того, что делает это интересным, — это фундаментальная физика этой системы и возможность изучать атомную физику в ультрарелятивистском режиме», — сказал он. «В то же время у этого есть интересные потенциальные применения в качестве нового типа квантового датчика, который может обнаруживать магнитные поля в наномасштабе с высоким пространственным разрешением».

По словам соавтора Чжэхао Гэ, аспиранта Калифорнийского университета в области физики, возможны и дополнительные приложения. «Результаты нашей работы также показывают, что графеновые квантовые точки потенциально могут поддерживать гигантский постоянный ток (непрерывный электрический ток без необходимости внешнего источника питания) в небольшом магнитном поле», — сказал Ге. «Такой ток потенциально можно использовать для квантового моделирования и квантовых вычислений».

В исследовании рассматривались квантовые точки как в однослойном графене, так и в скрученном двухслойном графене . Графен опирается на изолирующий слой из гексагонального нитрида бора, а напряжение, приложенное к наконечнику СТМ, создает заряды в нитриде бора, которые служат для электростатического удержания электронов в графене.

Хотя лаборатория Веласко использует СТМ для создания и изучения графеновых квантовых точек, более простая система, использующая металлические электроды в массиве поперечных стержней, может использоваться в устройстве магнитного датчика. Поскольку графен очень гибкий, датчик можно интегрировать с гибкими подложками, чтобы обеспечить обнаружение магнитного поля изогнутых объектов.

«У вас может быть много квантовых точек в массиве, и это можно использовать для измерения магнитных полей в живых организмах или для понимания того, как магнитное поле распределяется в материале или устройстве», — сказал Веласко.