了解电子如何在二维层状材料系统中运动，将有助于研究进展量子计算和沟通。
科学家们正在研究两种不同构型的双分子层石墨烯——二维(2 - d),原子-薄形式的碳已经探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反弹。通过表征这些状态，他们发现，将其中一层石墨烯层相对于另一层旋转30度，而不是直接将层堆叠在彼此之上，从而将共振转移到较低的能量。
这个结果刚刚发表在物理评论快报，他们推断，在扭曲结构中，与堆叠结构相比，两层之间的距离显著增加。当这个距离改变时，层间的相互作用也会改变，从而影响电子在双层体系中的移动。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。
布鲁克海文国家实验室功能纳米材料中心(CFN)的量子材料出版社(QPress)工作人员Jurek Sadowski(左)和博士后Dai Zhongwei。大的圆形部件是中央QPress机器人，其两侧安装有用于样品退火、薄膜沉积、等离子清洗和样品库的各种模块。完整的QPress系统仍在开发中，它将自动将二维材料堆叠成具有奇异性质的层状结构，用于量子应用。图片来源:布鲁克海文国家实验室
“今天的计算机芯片是基于我们的知识的电子在半导体,特别是硅”说戴共同通讯作者中,界面的博士后科学和催化组中心的功能性纳米材料(CFN)在美国能源部(DOE)的布鲁克黑文国家实验室。“但硅的物理特性正在达到一个物理极限，即可以制造多少小晶体管，一块芯片可以容纳多少晶体管。如果我们能理解电子在小尺度下是如何运动的纳米在二维材料的简化维度中，我们或许能够解锁另一种利用电子进行量子信息科学的方法。”
在几纳米，或十亿分之一米，材料系统的大小可与电子的波长相媲美。当电子被限制在与其波长大小相同的空间中时，材料的电子和光学特性就会发生变化。这些量子限制效应是量子力学类波运动的结果，而不是经典力学运动的结果，在经典力学运动中，电子通过一种材料，并被随机缺陷散射。
(从左至右顺时针方向)团队成员Chang-Yong Nam, Jurek Sadowski, Zhongwei Dai, Samuel Tenney, Nikhil Tiwale, Ashwanth Subramanian在功能纳米材料中心外。图片来源:布鲁克海文国家实验室
在这项研究中，研究小组选择了一种简单的材料模型——石墨烯——来研究量子约束效应，并应用了两种不同的探针:电子和光子(光的粒子)。为了探测电子和光学共振，他们使用了一种可以将石墨烯转移到其上的特殊衬底。共同通讯作者和CFN界面科学和催化组科学家Jurek Sadowski之前为量子材料出版社(QPress)设计了这个衬底。QPress是CFN材料合成和表征设施中正在开发的自动化工具，用于合成、加工和表征层状二维材料。通常情况下，科学家会在几百纳米厚的二氧化硅衬底上，从3-D母晶体(例如石墨烯)中剥离出2-D材料“薄片”。然而，这个衬底是绝缘的，因此基于电子的审讯技术不起作用。因此，Sadowski和CFN科学家Chang-Yong Nam以及Stony Brook大学的研究生Ashwanth Subramanian在二氧化硅衬底上沉积了一层只有3纳米厚的氧化钛导电层。
Sadowski解释说:“这一层足够透明，可以用于光学表征和测定剥离薄片和堆叠单层膜的厚度，同时也足够导电，可以用于电子显微镜或基于同步加速器的光谱技术。”
宾夕法尼亚大学物理学和天文学教授rebecca W. Bushnell和前博士后高兆丽(现香港中文大学助理教授)，在金属箔上生长石墨烯，并将其转移到氧化钛/二氧化硅衬底上。当石墨烯以这种方式生长时，所有三个域(单层、堆叠和扭曲)都存在。
(a)电子和光子散射实验装置示意图。(b)扭曲双层石墨烯(30°-tBLG)晶体结构图形的原子模型。(c)含有30°-tBLG、堆叠双层石墨烯(AB-BLG)和单层石墨烯(SLG)的典型样品区域的低能电子显微镜图像。(d)在30°tblg区域的低能电子衍射图。图片来源:布鲁克海文国家实验室
然后，戴和萨多夫斯基设计并进行了实验，他们用低能电子显微镜(LEEM)将电子射入材料中，并检测反射的电子。他们还用带有光谱仪的激光光学显微镜将光子发射到这种材料中，并分析散射回来的光的光谱。这个共聚焦拉曼显微镜是QPress编目器的一部分，它与图像分析软件一起，可以精确定位感兴趣的样品区域的位置。
“QPress拉曼显微镜使我们能够快速识别目标样品区域，加速我们的研究，”戴说。
他们的结果表明，扭曲石墨烯结构的层间间距相对于非扭曲结构增加了约6%。新罕布什尔大学的理论家们通过计算验证了扭曲结构中独特的共振电子行为。
Sadowski说:“旋转石墨烯制成的器件可能具有非常有趣和意想不到的特性，因为增加了电子可以移动的层间间距。”
接下来，该团队将用扭曲的石墨烯制造设备。该团队还将基于CFN工作人员科学家Samuel Tenney和CFN博士后Calley Eads和Nikhil Tiwale进行的初步实验，探索将不同材料添加到层状结构中如何影响其电子和光学特性。
“在最初的研究中，我们选择了最简单的二维材料系统，我们可以合成和控制，以了解电子的行为，”戴说。“我们计划继续这类基础研究，希望为如何操纵量子计算和通信材料提供线索。”
这项研究得到了美国能源部科学办公室的支持，并使用了CFN和国家同步加速器光源II (NSLS-II)的资源，这两家机构都是位于布鲁克海文的美国能源部科学办公室用户设施。在NSLS-II上，LEEM显微镜是x射线光电子发射显微镜(XPEEM)/LEEM终端的一部分;CFN通过与NSLS-II的合作伙伴用户协议来运营该终端站。其他资助机构包括国家科学基金、香港特别行政区研究资助局和香港中文大学。
想了解更多关于这项研究的信息，请阅读原子薄扭曲石墨烯具有推进量子计算的独特性质．
参考文献:“石墨烯异质结构界面中的量子阱束缚态”，Dai Zhongwei, Zhaoli Gao, Sergey S. Pershoguba, Nikhil Tiwale, Ashwanth Subramanian, Qicheng Zhang, Calley Eads, Samuel A. Tenney, Richard M. Osgood, Chang-Yong Nam, Jiadong Zang, A. T. Charlie Johnson and Jerzy T. Sadowski, 2021年8月20日，物理评论快报．
DOI: 10.1103 / PhysRevLett.127.086805
第一个发表评论关于“扭曲层状石墨烯在二维中显示独特的量子约束效应”