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物理學家Jairo Velasco Jr.（左）和研究生Zhehao Ge在加州大學圣克魯斯分校的Velasco實驗室。在他們身后是他們用來創建和研究石墨烯量子點的掃描隧道顯微鏡（STM）。

根據一項新的研究，在石墨烯量子點內以很快的速度在圓形環中行進的被捕獲電子對外部磁場高度敏感，可以用作具有獨特功能的新型磁場傳感器。

石墨烯（一種原子薄的碳形式）中的電子表現得好像它們是無質量的，就像光子一樣，光子是無質量的光粒子。雖然石墨烯電子不以光速運動，但它們表現出與光子相同的能量-動量關系，可以描述為“超相對論”。當這些電子被限制在量子點中時，它們在圍繞量子點邊緣的圓形環中高速行進。

“這些電流回路產生的磁矩對外部磁場非常敏感，”加州大學圣克魯斯分校物理學副教授Jairo Velasco Jr.解釋說。“這些電流環路的靈敏度源于這樣一個事實，即石墨烯電子是超相對論性的，并且以高速傳播。

貝拉斯科是6月<>日發表在《自然納米技術》上的一篇關于新發現的論文的通訊作者。他在加州大學圣克魯斯分校的小組使用掃描隧道顯微鏡（STM）在石墨烯中創建量子點并研究它們的性質。他在該項目上的合作者包括英國曼徹斯特大學和日本國家材料科學研究所的科學家。

“這是高度協作的工作，”貝拉斯科說。“我們在UCSC的實驗室進行了測量，然后我們與曼徹斯特大學的理論物理學家密切合作，理解和解釋我們的數據。

量子點（通常由半導體納米晶體制成）的獨特光學和電學特性是由于電子被限制在納米級結構中，因此它們的行為受量子力學控制。由于由此產生的電子結構與原子相似，量子點通常被稱為“人造原子”。Velasco的方法使用靜電“畜欄”來限制石墨烯的快速電子，從而創建不同形式的石墨烯中的量子點。

“使這變得有趣的部分原因是該系統的基礎物理學以及在超相對論制度下研究原子物理學的機會，”他說。“與此同時，作為一種新型量子傳感器，可以以高空間分辨率檢測納米級磁場，也有有趣的潛在應用。

根據共同作者，UCSC物理學研究生Zhehao Ge的說法，其他應用也是可能的。“我們工作中的發現還表明，石墨烯量子點可以在一個小磁場中潛在地容納巨大的持續電流（不需要外部電源的持久電流），”Ge說。“這種電流有可能用于量子模擬和量子計算。

該研究研究了單層石墨烯和扭曲雙層石墨烯中的量子點。石墨烯位于六方氮化硼的絕緣層上，用STM尖處施加的電壓在氮化硼中產生電荷，用于靜電限制石墨烯中的電子。

盡管Velasco的實驗室使用STM來創建和研究石墨烯量子點，但可以在磁傳感器設備中使用交叉條陣列中的金屬電極的更簡單的系統。由于石墨烯具有高度的靈活性，因此傳感器可以與柔性基板集成，以實現彎曲物體的磁場感應。

“你可以在一個陣列中有許多量子點，這可以用來測量生物體中的磁場，或者了解磁場在材料或設備中的分布方式，”貝拉斯科說。