石墨烯量子点有望成为新型磁场传感器

物理学家Jairo Velasco Jr.（左）和研究生Zhehao Ge在加州大学圣克鲁斯分校的Velasco实验室。在他们身后是他们用来创建和研究石墨烯量子点的扫描隧道显微镜（STM）。

根据一项新的研究，在石墨烯量子点内以很快的速度在圆形环中行进的被捕获电子对外部磁场高度敏感，可以用作具有独特功能的新型磁场传感器。

石墨烯（一种原子薄的碳形式）中的电子表现得好像它们是无质量的，就像光子一样，光子是无质量的光粒子。虽然石墨烯电子不以光速运动，但它们表现出与光子相同的能量-动量关系，可以描述为“超相对论”。当这些电子被限制在量子点中时，它们在围绕量子点边缘的圆形环中高速行进。

“这些电流回路产生的磁矩对外部磁场非常敏感，”加州大学圣克鲁斯分校物理学副教授Jairo Velasco Jr.解释说。“这些电流环路的灵敏度源于这样一个事实，即石墨烯电子是超相对论性的，并且以高速传播。

贝拉斯科是6月<>日发表在《自然纳米技术》上的一篇关于新发现的论文的通讯作者。他在加州大学圣克鲁斯分校的小组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性质。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，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）的独特光学和电学特性是由于电子被限制在纳米级结构中，因此它们的行为受量子力学控制。由于由此产生的电子结构与原子相似，量子点通常被称为“人造原子”。Velasco的方法使用静电“畜栏”来限制石墨烯的快速电子，从而创建不同形式的石墨烯中的量子点。

“使这变得有趣的部分原因是该系统的基础物理学以及在超相对论制度下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，可以以高空间分辨率检测纳米级磁场，也有有趣的潜在应用。

根据共同作者，UCSC物理学研究生Zhehao Ge的说法，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一个小磁场中潜在地容纳巨大的持续电流（不需要外部电源的持久电流），”Ge说。“这种电流有可能用于量子模拟和量子计算。

该研究研究了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的绝缘层上，用STM尖处施加的电压在氮化硼中产生电荷，用于静电限制石墨烯中的电子。

尽管Velasco的实验室使用STM来创建和研究石墨烯量子点，但可以在磁传感器设备中使用交叉条阵列中的金属电极的更简单的系统。由于石墨烯具有高度的灵活性，因此传感器可以与柔性基板集成，以实现弯曲物体的磁场感应。

“你可以在一个阵列中有许多量子点，这可以用来测量生物体中的磁场，或者了解磁场在材料或设备中的分布方式，”贝拉斯科说。

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