NS0609 石墨烯在量子物理学上的新应用

一个交替的导电和绝缘系列。同心圆环表面上。当研究人员在不同的电子能量水平上记录同心环的图像时，产生的图像就像婚礼蛋糕，电子能量作为垂直尺寸。

在量子科学和固态物理学的结合中，美国国家标准和技术研究所(Nist)的研究人员利用磁场将电子群限制在石墨烯(一层致密的碳原子)中的一系列同心圆环上。这个分层的“婚礼蛋糕”，出现在图片中，显示了电子，实验证实了电子如何在一个紧密限制的空间中相互作用，根据长期未经测试的量子力学规则。这些发现也可以在量子计算中有实际的应用。

图：电子排列在一个婚礼蛋糕般的结构中，同心系列绝缘（红色）和导电（蓝色）环，由于磁限制在石墨烯，每一层的高度代表着该层中电子的能量

石墨烯由于其机械强度、导电能力和超薄，本质上是二维结构，是一种极有前途的新型电子器件材料。出于这些原因，科学家们欢迎任何关于这种神奇材料的新见解。研究人员将他们的发现发表在8月24日的《科学》杂志，开始了他们的实验，创造了量子点-充当人造原子的小岛屿-在石墨烯设备冷却到绝对零度的几度。

电子围绕量子点运行，类似于这些带负电荷的粒子围绕原子的方式。就像梯子上的阶梯一样，它们只能根据量子理论的规则占据特定的能级。但是当研究人员施加磁场时发生了一些特别的事情，磁场进一步限制了围绕量子点运行的电子。当外加磁场达到约1特斯拉(约100倍的典型强度小棒磁铁)时，电子更紧密地聚集在一起，相互作用更强。

因此，电子重新排列成一个新的模式：一个交替的导电和绝缘系列。同心圆环表面上。当研究人员在不同的电子能量水平上记录同心环的图像时，产生的图像就像婚礼蛋糕，电子能量作为垂直尺寸。

图：扫描隧道光谱图像显示，磁受限电子排列在一个婚礼蛋糕状的能级结构，称为Landau能级，标记为11(顶板)

限制在这些水平上的电子在石墨烯(底部面板)内产生一系列绝缘和导电环。扫描隧道显微镜，通过记录样品不同区域之间的电子流动和显微镜针尖的超声波，以原子尺度分辨率成像表面，揭示了这种结构。

NIST的科学家兼合著者约瑟夫·斯特罗西奥说：“这是一个典型的问题-确定电子的空间和磁约束的综合效应是什么-当你第一次接触量子力学时，你会在纸上解决这个问题，但没有人真正看到这个问题。”

“关键是石墨烯是一种真正的二维材料，表面有一片暴露的电子海，”他补充道。“在以前使用其他材料的实验中，量子点被掩埋在材料界面上，所以没有人能够观察它们的内部以及如何能级当施加磁场时发生变化。“

石墨烯量子点被认为是一些量子计算机的基本组成部分。“由于我们看到这种行为是从大约1特斯拉的中等场开始的，这意味着在考虑某些类型的石墨烯时，必须仔细考虑这些电子与电子的相互作用。”量子点“关于量子计算，”研究的合著者克里斯托弗·古铁雷斯说，他现在温哥华的不列颠哥伦比亚省大学，他和尼斯托大学和马里兰大学的费列斯特·加哈里和丹尼尔·沃克普合作在nist完成了这项实验工作。

这一成就也为石墨烯提供了充当“相对论量子模拟器”的可能性。相对论描述了物体在光速或接近光速时的行为。石墨烯中的电子具有一种不寻常的性质-它们的运动就好像它们是无质量的，就像光的粒子一样。

虽然石墨烯中的电子实际上比光速慢得多，但它们的无质量光行为它们赢得了“相对论性”物质的绰号。这项新的研究打开了一扇门，创造了一个桌面实验来研究强烈受限的相对论性物质。

这些测量结果表明，科学家们可能很快就会发现，在低温下，由于电子与固态物质的相互作用而产生的更奇异的结构。

还有科学家通过石墨烯片来了解黑洞，物理学家从理论上证明，通过将磁场施加到形状不规则的小石墨烯片上，薄片就变成了黑洞的量子全息图。这意味着石墨烯片重建了黑洞的空间结构和特征特性，但是在一个更小、更低维的系统中。

物理学家Anffany Chen和来自加拿大、以色列、英国和美国的机构的合著者发表了一篇关于石墨烯最近一期的量子全息图物理评论信。

不列颠哥伦比亚省大学的物理学教授Marcel Franz告诉我们：“我们证明了一种相当普遍且经过精心研究的材料-石墨烯-在某些条件下可以新颖而令人兴奋的方式表现出来。具体来说，纳米级石墨烯片状不规则边界中的电子，以及应用中的电子。磁场可以实现所谓的Sachdev-ye-Kitaev(SYK)模型。"

正如物理学家所解释的，SYK模型说明了一种“全息对偶，“其中高维系统(这里，(1+1)维时空中的黑洞)可以用一个低维系统(这里是石墨烯中的电子，占据(0+1)维时空)来表示。SYK模型说明的全息二元性的类型特别有趣，因为它显示了黑洞，如非零剩余熵和量子混沌传播。它也可以帮助回答量子力学和引力之间联系的基本问题。

“今天物理学家对SYK模型非常感兴趣，因为它被认为包含了量子黑洞的全息描述，”Franz说。“现代物理学中一些最神秘的奥秘在于爱因斯坦的广义相对论(一种描述时空、引力和黑洞的理论)和量子力学(描述微观现象、电子、原子等的理论)之间的交汇点。因此，更好地理解SYK模型可以阐明这些基本问题。“

与其他被提议用来演示SYK模型的系统不同，石墨烯的新量子相不需要任何先进的制造技术，应该可以使用现有的技术来实现。主要要求石墨烯片具有高度不规则的边界和干净的内部，因此电子波函数具有随机性。空间结构，这为实现黑洞全息图提供了必要条件。

弗兰兹说：“我们目前正致力于了解石墨烯片在SYK体系中的传输特性。”“更广泛地说，我们希望我们的理论结果将激励实验者研究产生SYK物理所需类型的石墨烯薄片，我们准备为任何这样的努力提供理论支持。”