Fizycy odkryli, że przyspieszone elektrony uwięzione w kolistych pętlach w kropkach kwantowych grafenu są wysoce wrażliwe na zewnętrzne pola magnetyczne.
Elektrony w grafenie (atomowo cienkiej formie węgla) zachowują się jakby były bezmasowe, podobnie jak fotony, które są bezmasowymi cząstkami światła. Chociaż elektrony w grafenie nie poruszają się z prędkością światła, wykazują takie same relacje energii i pędu jak fotony i mogą być opisane jako „ultra-relatywistyczne”. Kiedy te elektrony są uwięzione w kropce kwantowej, poruszają się z dużą prędkością w kolistych pętlach wokół brzegu kropki.
„Te pętle prądu tworzą momenty magnetyczne, które są bardzo wrażliwe na zewnętrzne pola magnetyczne” – wyjaśnia Jairo Velasco Jr., profesor fizyki na Uniwersytecie Kalifornijskim w Santa Cruz. „Czułość tych pętli prądu wynika z faktu, że elektrony grafenu są ultra-relatywistyczne i poruszają się z dużą prędkością”.
Velasco jest autorem korespondującym pracy na temat nowych odkryć, opublikowanej 6 marca w Nature Nanotechnology. Jego grupa na Uniwersytecie Kalifornijskim w Santa Cruz wykorzystała mikroskop tunelowy STM do tworzenia kropek kwantowych w grafenie i badania ich właściwości. Jego współpracownikami w projekcie są naukowcy z Uniwersytetu w Manchesterze (Wielka Brytania) oraz Narodowego Instytutu Nauki Materiałowej w Japonii.
„To była bardzo współpracująca praca” – powiedział Velasco. „Wykonaliśmy pomiary w moim laboratorium na UCSC, a następnie bardzo blisko współpracowaliśmy z teoretykami z Uniwersytetu w Manchesterze, aby zrozumieć i zinterpretować nasze dane”.
Unikalne właściwości optyczne i elektryczne kropek kwantowych – które są często wykonane z nanokryształów półprzewodnikowych – wynikają z ograniczenia elektronów w strukturze nanometrycznej, w której ich zachowanie jest określane przez mechanikę kwantową. Ze względu na wynikającą z tego strukturę elektronową, podobną do atomów, kropki kwantowe są często nazywane „sztucznymi atomami”. Podejście Velasco polega na tworzeniu kropek kwantowych w różnych formach grafenu za pomocą elektrostatycznego „ogrodzenia”, które ogranicza prędkość poruszania się elektronów w grafenie.
„Część z tego, co sprawia, że jest to interesujące, to fundamentalna fizyka tego systemu i możliwość badania fizyki atomowej w ultra-relatywistycznym reżimie” – powiedział Velasco. „Jednocześnie istnieją interesujące potencjalne zastosowania tego jako nowego rodzaju kwantowego czujnika, który może wykrywać pola magnetyczne na poziomie nanometrycznym z wysoką rozdzielczością przestrzenną”.
Zgodnie z co-pierwszym autorem Zhehao Ge, studentem studiów doktoranckich z fizyki na UCSC, istnieją również dodatkowe możliwości zastosowań. „Wyniki naszych badań wskazują również, że kropki kwantowe grafenu mogą potencjalnie być gospodarzem olbrzymiego stałego prądu (wieczystego prądu elektrycznego bez potrzeby zewnętrznego źródła zasilania) w małym polu magnetycznym” – powiedział Ge. „Taki prąd może potencjalnie być wykorzystany do symulacji kwantowej i obliczeń kwantowych”.