一项新的研究表明，在石墨烯量子点内以极快的速度在圆形环路中移动的俘获电子对外部磁场高度敏感，可用作具有独特功能的新型磁场传感器。
石墨烯(一种原子级薄形式的碳)中的电子表现得好像它们是无质量的，就像光子一样，它们是无质量的光粒子。石墨烯电子虽然不以光速运动，但表现出与光子相同的能量-动量关系，堪称“超相对论”。当这些电子被限制在量子点中时，它们会以围绕点边缘的圆形环路高速行进。
“这些电流回路产生的磁矩对外部磁场非常敏感，”加州大学圣克鲁兹分校物理学副教授 Jairo Velasco Jr. 解释说。“这些电流回路的敏感性源于石墨烯电子具有超相对论性并且以高速传播的事实。”
Velasco 是一篇关于新发现的论文的通讯作者，该论文于3 月 6 日发表在Nature Nanotechnology上。他在加州大学圣克鲁斯分校的团队使用扫描隧道显微镜 (STM) 在石墨烯中创建量子点并研究它们的特性。他在该项目上的合作者包括英国曼彻斯特大学和日本国家材料科学研究所的科学家。
“这是高度协作的工作，”贝拉斯科说。“我们在 UCSC 的实验室进行了测量，然后我们与曼彻斯特大学的理论物理学家密切合作，以理解和解释我们的数据。”
量子点通常由半导体纳米晶体制成，其独特的光学和电学特性是由于电子被限制在纳米级结构内，因此它们的行为受量子力学支配。由于由此产生的电子结构类似于原子，因此量子点通常被称为“人造原子”。Velasco 的方法在不同形式的石墨烯中创建量子点，使用静电“围栏”来限制石墨烯的高速电子。
“让这件事变得有趣的部分原因是这个系统的基础物理学以及在超相对论体系中研究原子物理学的机会，”他说。“与此同时，作为一种新型量子传感器，它有有趣的潜在应用，可以以高空间分辨率检测纳米级的磁场。”
据共同第一作者、UCSC 物理学研究生 Zhehao Ge 说，其他应用也是可能的。“我们工作中的发现还表明，石墨烯量子点可以在小磁场中承载巨大的持续电流(无需外部电源的永久电流)，”Ge 说。“这种电流有可能用于量子模拟和量子计算。”
该研究着眼于单层石墨烯和扭曲双层石墨烯中的量子点。石墨烯位于六方氮化硼绝缘层上，STM 尖端施加的电压会在氮化硼中产生电荷，从而将电子静电限制在石墨烯中。
尽管 Velasco 的实验室使用 STM 来创建和研究石墨烯量子点，但在磁传感器设备中可以使用在交叉阵列中使用金属电极的更简单的系统。由于石墨烯具有高度的柔性，传感器可以与柔性基板集成，从而实现对弯曲物体的磁场感应。
“你可以在一个阵列中有许多量子点，这可以用来测量活生物体中的磁场，或者了解磁场如何在材料或设备中分布，”Velasco 说。
该论文的共同第一作者是 UCSC Velasco 实验室的研究生葛哲豪和曼彻斯特大学的 Sergey Slizovskiy。曼彻斯特大学的 Vladimir Fal'ko 是通讯作者，其他共同作者包括加州大学圣克鲁兹分校的 Peter Polizogopoulos、Toyanath Joshi 和 David Lederman，以及日本国家材料科学研究所的 Takashi Taniguchi 和 Kenji Watanabe。这项工作得到了国家科学基金会和陆军研究办公室的部分支持。
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