I ett äktenskap med kvantvetenskap och solid-state fysik, forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST) har använt magnetfält för att begränsa grupper av elektroner till en serie koncentriska ringar inom grafen, ett enda lager av tätt packade kolatomer.

Den här "bröllopstårtan", "som visas i bilder som visar elektronernas energinivåstruktur, experimentellt bekräftar hur elektroner interagerar i ett tätt trångt utrymme enligt långa testade regler för kvantmekanik. Resultaten kan också ha praktiska tillämpningar inom kvantberäkning.

Grafen är ett mycket lovande material för nya elektroniska enheter på grund av dess mekaniska hållfasthet, dess utmärkta förmåga att leda elektricitet och dess ultratunna, väsentligen tvådimensionell struktur. Av dessa anledningar, forskare välkomnar alla nya insikter om detta underliga material.

Forskarna, som rapporterar sina fynd i 24 augusti -numret av Vetenskap , började sitt experiment med att skapa kvantprickar - små öar som fungerar som artificiella atomer - i grafenenheter som svalnat till bara några grader över den absoluta nollan.

Elektroner kretsar kring kvantprickar som liknar hur dessa negativt laddade partiklar kretsar runt atomer. Som steg på en stege, de kan bara uppta specifika energinivåer enligt kvantteorins regler. Men något speciellt hände när forskarna applicerade ett magnetfält, som ytterligare begränsade elektronerna som kretsar kring kvantpunkten. När det applicerade fältet nådde en styrka på cirka 1 Tesla (cirka 100 gånger den typiska styrkan för en liten stångmagnet), elektronerna packade sig närmare varandra och interagerade starkare.

Som ett resultat, elektronerna ordnade om sig till ett nytt mönster:en alternerande serie ledande och isolerande koncentriska ringar på ytan. När forskarna staplade bilder av de koncentriska ringarna som spelats in på olika elektronenerginivåer, den resulterande bilden liknade en bröllopstårta, med elektronenergi som vertikal dimension.

Ett skanningstunnelmikroskop, som avbildar ytor med atomskalaupplösning genom att registrera flödet av elektroner mellan olika delar av provet och den ultrakarpa spetsen av mikroskopets penna, avslöjade strukturen.

"Detta är ett läroboksexempel på ett problem - att avgöra hur den kombinerade effekten av rumslig och magnetisk inneslutning av elektroner ser ut - som du löser på papper när du först utsätts för kvantmekanik, men att ingen faktiskt sett förut, "sa NIST-forskaren och medförfattaren Joseph Stroscio." Nyckeln är att grafen är ett verkligt tvådimensionellt material med ett exponerat hav av elektroner vid ytan, "tillade han." I tidigare experiment med andra material, kvantprickar begravdes vid materialgränssnitt så ingen hade kunnat titta inuti dem och se hur energinivåerna förändras när ett magnetfält appliceras. "

Grafenkvantprickar har föreslagits som grundläggande komponenter i vissa kvantdatorer.

"Eftersom vi ser att detta beteende börjar på måttliga fält på ungefär 1 Tesla, det betyder att dessa elektron-elektroninteraktioner måste noggrant beaktas när man överväger vissa typer av grafenkvantpunkter för kvantberäkning, "säger studieförfattaren Christopher Gutierrez, nu vid University of British Columbia i Vancouver, som utförde det experimentella arbetet vid NIST med medförfattare Fereshte Ghahari och Daniel Walkup från NIST och University of Maryland.

Denna prestation öppnar också möjligheter för grafen att fungera som vad forskarna kallar en "relativistisk kvantsimulator." Relativitetsteorin beskriver hur objekt beter sig när de rör sig i eller nära ljushastigheten. Och elektroner i grafen har en ovanlig egenskap - de rör sig som om de är masslösa, som ljuspartiklar. Även om elektroner i grafen faktiskt reser mycket långsammare än ljusets hastighet, deras ljusliknande masslösa beteende har gjort dem till namnet på "relativistisk" materia. Den nya studien öppnar dörren till att skapa ett bordsförsök för att studera starkt begränsad relativistisk materia.

Mätningarna tyder på att forskare snart kan hitta ännu mer exotiska strukturer som produceras av interaktioner mellan elektroner begränsade till fasta material vid låga temperaturer.

Denna berättelse publiceras på nytt med tillstånd av NIST. Läs den ursprungliga historien här.