物理學(xué)家Jairo Velasco Jr.（左）和研究生Zhehao Ge在加州大學(xué)圣克魯斯分校的Velasco實(shí)驗(yàn)室。在他們身后是他們用來(lái)創(chuàng)建和研究石墨烯量子點(diǎn)的掃描隧道顯微鏡（STM）。

根據(jù)一項(xiàng)新的研究，在石墨烯量子點(diǎn)內(nèi)以很快的速度在圓形環(huán)中行進(jìn)的被捕獲電子對(duì)外部磁場(chǎng)高度敏感，可以用作具有獨(dú)特功能的新型磁場(chǎng)傳感器。

石墨烯（一種原子薄的碳形式）中的電子表現(xiàn)得好像它們是無(wú)質(zhì)量的，就像光子一樣，光子是無(wú)質(zhì)量的光粒子。雖然石墨烯電子不以光速運(yùn)動(dòng)，但它們表現(xiàn)出與光子相同的能量-動(dòng)量關(guān)系，可以描述為“超相對(duì)論”。當(dāng)這些電子被限制在量子點(diǎn)中時(shí)，它們?cè)趪�繞量子點(diǎn)邊緣的圓形環(huán)中高速行進(jìn)。

“這些電流回路產(chǎn)生的磁矩對(duì)外部磁場(chǎng)非常敏感，”加州大學(xué)圣克魯斯分校物理學(xué)副教授Jairo Velasco Jr.解釋說(shuō)�！斑@些電流環(huán)路的靈敏度源于這樣一個(gè)事實(shí)，即石墨烯電子是超相對(duì)論性的，并且以高速傳播。

貝拉斯科是6月<>日發(fā)表在《自然納米技術(shù)》上的一篇關(guān)于新發(fā)現(xiàn)的論文的通訊作者。他在加州大學(xué)圣克魯斯分校的小組使用掃描隧道顯微鏡（STM）在石墨烯中創(chuàng)建量子點(diǎn)并研究它們的性質(zhì)。他在該項(xiàng)目上的合作者包括英國(guó)曼徹斯特大學(xué)和日本國(guó)家材料科學(xué)研究所的科學(xué)家。

“這是高度協(xié)作的工作，”貝拉斯科說(shuō)�！拔覀�?cè)赨CSC的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了測(cè)量，然后我們與曼徹斯特大學(xué)的理論物理學(xué)家密切合作，理解和解釋我們的數(shù)據(jù)。

量子點(diǎn)（通常由半導(dǎo)體納米晶體制成）的獨(dú)特光學(xué)和電學(xué)特性是由于電子被限制在納米級(jí)結(jié)構(gòu)中，因此它們的行為受量子力學(xué)控制。由于由此產(chǎn)生的電子結(jié)構(gòu)與原子相似，量子點(diǎn)通常被稱為“人造原子”。Velasco的方法使用靜電“畜欄”來(lái)限制石墨烯的快速電子，從而創(chuàng)建不同形式的石墨烯中的量子點(diǎn)。

“使這變得有趣的部分原因是該系統(tǒng)的基礎(chǔ)物理學(xué)以及在超相對(duì)論制度下研究原子物理學(xué)的機(jī)會(huì)，”他說(shuō)�！芭c此同時(shí)，作為一種新型量子傳感器，可以以高空間分辨率檢測(cè)納米級(jí)磁場(chǎng)，也有有趣的潛在應(yīng)用。

根據(jù)共同作者，UCSC物理學(xué)研究生Zhehao Ge的說(shuō)法，其他應(yīng)用也是可能的。“我們工作中的發(fā)現(xiàn)還表明，石墨烯量子點(diǎn)可以在一個(gè)小磁場(chǎng)中潛在地容納巨大的持續(xù)電流（不需要外部電源的持久電流），”Ge說(shuō)�！斑@種電流有可能用于量子模擬和量子計(jì)算。

該研究研究了單層石墨烯和扭曲雙層石墨烯中的量子點(diǎn)。石墨烯位于六方氮化硼的絕緣層上，用STM尖處施加的電壓在氮化硼中產(chǎn)生電荷，用于靜電限制石墨烯中的電子。

盡管Velasco的實(shí)驗(yàn)室使用STM來(lái)創(chuàng)建和研究石墨烯量子點(diǎn)，但可以在磁傳感器設(shè)備中使用交叉條陣列中的金屬電極的更簡(jiǎn)單的系統(tǒng)。由于石墨烯具有高度的靈活性，因此傳感器可以與柔性基板集成，以實(shí)現(xiàn)彎曲物體的磁場(chǎng)感應(yīng)。

“你可以在一個(gè)陣列中有許多量子點(diǎn)，這可以用來(lái)測(cè)量生物體中的磁場(chǎng)，或者了解磁場(chǎng)在材料或設(shè)備中的分布方式，”貝拉斯科說(shuō)。