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物理|囚禁于纳米围栏中的量子( 七 )


(4)   把输入和输出的位置交换时 ， 即能得到“或门” 。
 
需要指出 ， 作为一个器件原型 ， 这里展示的开关信号逻辑阈值大约是 1.5 ， 比真实器件的值要小很多 。 但是 ， 这一比值可通过以下几种方法来提高：这里的实验包含了体态贡献的常数背景 ， 它严重地降低了开关信号比 。 如果在一个体态很低甚至没有体态贡献的体系中进行实验 ， 有望得到更高的开关信号比 。 此外 ， 传递函数的幅值依赖于表面态态密度与杂化能；当这两项的强度增加时 ， 也能够得到一个更高的开关信号比 。
 
物理|囚禁于纳米围栏中的量子
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图9. “扇出门”器件的构造与工作 。 器件由两个椭圆形量子围栏叠加而成 ， 它们具有一个共焦点 ， 形成一个特定的哑铃型围栏或称共焦椭圆围栏 。 (a) 空的共焦椭圆围栏 STM 形貌图；(b) 相应的 dI/ dV 谱图；(c) 共同焦点 A 处有一个 Fe 吸附原子时 ， 对应的 STM 形貌图；(d) 相应的 dI / dV 谱图 。 椭圆尺寸为 a = 6.6 nm, e = 0.7 。 椭圆围栏焦点由虚线圆圈标出 ， 其中黑色表示 1、白色表示 0 。 来自文献 [Nature Commun. 11, 1400 (2020)] 。
7. 展望
 
行文至此 ， 笔者对看君表示谢意 ， 辛苦您坚持阅读到这里 。
 
本文对近十年来纳米围栏中的量子尺寸效应作了简单而不是很严谨的回顾 。 纳米围栏中量子尺寸效应的本质是吸附在基底表面的原子能够对表面电子态进行散射 。 由吸附原子构成的围栏能够将电子态束缚在围栏内 ， 使得围栏内态密度出现振荡 。 众所周知 ， 电子体系的绝大部分性质由其电子态密度决定 ， 尤其是费米能附近的态密度 。 因此 ， 除了原子扩散与自组织、原子捕获和近藤效应 ， 可以期待更多与态密度有关的量子现象在纳米围栏中呈现 。
 
利用 Fe 原子在 Ag (111) 表面搭建的椭圆量子围栏 ， 可以展现吸附原子与近藤无关的量子蜃楼 ， 并可进行一些基本逻辑操作 。 那么 ， 不禁要问 ， 还有没有其它体系能够展现出量子蜃楼现象并进而实现基本逻辑操作呢？有的！应用的问题是大事 ， 值得再啰嗦几句 ， 以作为本文的结语：
 
(1)   第一类 ， 利用磁性原子在超导基底表面搭建椭圆量子围栏 。
 
如前所述 ， 实验已观察到了与近藤效应无关的量子蜃景 ， 并揭示了其物理机制 。 这意味着 ， 只要具有特征谱的原子 ， 能被衬底表面电子散射 ， 都应该具有量子蜃景现象 。 例如 ， 磁性原子在超导衬底表面会有一个特征谱 (超导能隙内) ， 即 Yu – Shiba – Rusinov (YSR) 态 [2 - 4] 。 早在 2004 年 ， Morr 等人从理论上给出了磁性杂质在超导衬底表面的量子蜃楼预言 [5] 。 然而 ， 目前尚无实验来证实该理论预言 。 从实验角度来说 ， 超导能隙一般只有几个毫电子伏 。 要想在这么小的能量范围内探测 YSR 态 ， 需要有足够低的温度 。 事实上 ， 目前的实验技术已经成功探测到了 YSR 态 [6] ， 甚至自旋分辨的 YSR 态也已经被观察到 [7] 。 所以 ， 对于磁性杂质在超导体表面的量子蜃楼的观测也指日可待了 。
(2)   第二类 ， 利用磁性原子在拓扑绝缘体表面搭建椭圆量子围栏 。
 
实验上制备拓扑绝缘体实际上是最近十多年的事 [8, 9] 。 2014 年 ， Loptien 等人首次在拓扑绝缘体 Bi2Se3 (111) 表面上用 Rb 原子搭建了一个量子围栏 [10] 。 Loptien 等人的工作表明 ， 在拓扑绝缘体上构造量子围栏是完全可行的 。 但由于 Rb 原子是非磁原子 ， 对表面态电子散射作用非常弱 。 如果改用磁性原子来构造量子围栏 ， 其散射作用会比较强 ， 并且对表面态电子的自旋向上和自旋向下的散射作用不一样 。 因此 ， 还可以得到自旋分辨的相关信息 。 此外 ， Fe 原子在 Bi2Se3 (111) 表面还具有特征谱 [11] 。 这些都为观察量子蜃楼创造了条件 。
 
(3)   第三类 ， 在二维材料表面搭建椭圆量子围栏 。
 
二维材料是近年来十分热门的材料 ， 因其所展现出来的巨大的应用前景 。 石墨烯是一种典型的二维材料 。 在此 ， 我们设想能否对石墨烯单原子空位进行调控 ， 并利用其空位构造一些人工结构 ， 比如椭圆量子围栏 。 如果该技术能够实现 ， 那将是一个很大的进步 。 如果不考虑实验技术难题 ， 利用石墨烯空位观察量子蜃景的可行性如下：(i) 空位能对二维电子进行散射；(ii) 空位具有特征谱 ， 即在费米能附近有一个很强的峰 [12] 。 其它二维材料可能也具有类似的性质 。 最后 ， 二维材料在这个方面还有很大的开发空间 。
 
 
参考文献
 
[1] 本文主要内容来源于 Quantum size effect in nano corrals: From fundamental to potential applications, Appl. Phys. Lett. 117, 060501 (2020), https://doi.org/10.1063/5.0015542 。 涉及到的相关文献均可从中找到 ， 其中没有的文献则在此单独给出 。


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