新加坡国立大学 (NUS) 的科学家通过利用二维 (2D) 过渡金属二硫属化物 (TMD) 中的自组装单空位 (SV) 制造原子级精确的量子解点 (QAD)，展示了概念上的突破。
量子点将电子限制在纳米级水平。相反，反点是指以排斥电子的势丘为特征的区域。通过策略性地将解点图案(“空隙”)引入精心设计的解点晶格中，有趣的人造结构出现了。这些结构表现出周期性电势调制来改变二维电子行为，从而产生新颖的传输特性和独特的量子现象。随着器件小型化的趋势不断发展，在原子水平上精确控制每个解点的尺寸和间距非常重要。这种控制与对环境扰动的适应能力对于解决纳米电子学的技术挑战至关重要。
由新加坡国立大学化学系和新加坡国立大学功能智能材料研究所的 Jiong LU 副教授领导的研究团队介绍了一种在二维三原子层 TMD 中制造一系列具有精心设计的量子空穴态的原子级 QAD 的方法。QAD 可以作为有前途的新一代候选者，可用于量子信息技术等应用。这是通过将 SV 自组装成规则的图案来实现的。使用扫描隧道显微镜和非接触原子力显微镜分析 QAD 的原子和电子结构。这项工作是与耶鲁-新加坡国立大学学院助理教授 Aleksandr RODIN 的研究小组合作进行的。
该研究于 2023 年 8 月 31 日发表在《自然纳米技术》杂志上。
本研究特意培养了含有大量碲 (Te) SV 的缺陷二碲化铂 (PtTe 2 ) 样品。热退火后，Te SV 表现得像“原子乐高”，自组装成高度有序的基于空位的 QAD。QAD 内的这些 SV 由单个 Te 原子间隔开，代表传统反点晶格中可能的最小距离。当QAD中的SV数量增加时，它会增强累积排斥势。这导致 QAD 内准粒子的干扰增强。这反过来又导致多级量子空穴态的产生，其具有从电信到远红外范围的可调节能隙。
由于其几何保护特性，即使 QAD 中的空位在暴露于空气后被氧气占据，这些精确设计的量子空穴态仍能在结构中保留下来。这种针对环境影响的卓越鲁棒性是该方法的另一个优点。
卢副教授表示：“这些 QAD 制造的概念演示为在具有离散量子空穴态的二维材料中创建新型人造纳米结构打开了大门。这些结构提供了一个极好的平台，可以在以前无法到达的区域探索新颖的量子现象和热电子动力学。”
“通过引入自旋极化原子在三角晶格上制造磁性 QAD 和反铁磁 Ising 系统来进一步完善这些 QAD，可以为奇异量子相提供有价值的原子见解。这些见解具有推进各种材料技术的潜力，”卢副教授补充道。
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