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微观甜甜圈是量子科技的一种享受

赖斯大学的科学家们正在为“甜甜圈”投入美元,正在帮助国家实验室带来电子和量子计算的革命 。

通过将纳米级甜甜圈图案化成二维晶体,橡树岭国家实验室的研究人员 和他们的同事,包括赖斯布朗工程学院的理论科学家 ,已经对其电学和光学特性实现了新的控制水平。

由于研究人员将纳米级材料用于量子信息 处理等应用 ,因此从头到尾定制它们的方法将使它们更加实用。

研究小组包括赖斯材料理论家 鲍里斯雅科布森 和研究生Nitant Gupta和Henry Yu,他们在科学进展中发表了研究成果 。

由David Geohegan,Kai Xiao和Kai Wang 领导的橡树岭科学家 首先 通过 化学气相沉积技术 在平坦的基板上生长二维 二硫化钨,该 基板上 有锋利的台阶和沟槽,并且只在一个方向上弯曲。晶体很容易符合障碍,而不会改变其性能。

但是当他们使支撑面成为圆顶或井 - 用科学术语来说,是一种“非零” 高斯曲率 - 不断增长的晶体被迫通过拉伸或收缩来调整。向外的曲线增加了拉伸应变并缩小了其电带隙以改变其半导体特性。向内的曲线增加了压缩应变,使其成为更强的绝缘体。

这激发了甜甜圈。压印在基板上的20到180纳米高的微米级环,迫使晶体符合上升和下降曲线,将其压缩在每个圆环的外斜面上并在孔中拉伸。

“随着材料在甜甜圈的地形上生长,它会产生局部应变,”古普塔说。“2D材料中的应变是有益的,因为它允许我们调整其电子特性,因此我们可以改变不同位置的带隙。”

赖斯的数学模型显示,大部分应变(和带隙变化)发生在甜甜圈中心,较少发生在身体上,外部最少,正如橡树岭的光致发光和拉曼光谱测量所证实的那样。

肖说,高度局域化的应变是制造单光子发射器 “热点”阵列的一种方法, 单光子发射器是量子计算机的一个组成部分。“你可以通过设计物体让它们长大来设计给晶体带来多大的压力,”他说。

研究人员发现甜甜圈的高度影响了内外的应变,甚至影响了晶体的生长模式。他们发现40纳米甜甜圈似乎是洞中最大应变的最佳点。在此之上,应变扩散到凸起之外并改变了晶体的正常三角形生长模式,导致材料分支出来。

超过180纳米的甜甜圈的生长导致多个合并晶体被晶界分开 。基板的高曲率将晶体破坏成单独的区域,这表明将来控制这些边界及其电子特性的方法。

应变还影响 声子,即影响热,电和声传导的材料中的集体振动激发。拉伸应变软化了声子模式,而压缩应变使它们变硬。

令人惊讶的是,在甜甜圈之间的平坦平原中晶体生长得更快。橡树岭模型显示该应变促使障碍物之间存在额外的成核位置。当从基板上除去晶体时,应变消失,并且没有留下沟槽或环形图案的痕迹。

Yu说,新工作继续开展合作,首先将 2D材料图案化到锥体上。“在那篇论文中,我们主要探讨了像锥体这样的地形可以如何形成晶界,从根本上将材料分解成两块,”他说。“在这里,我们主要关注应变如何改变带隙或性质,以及如何避免分裂。”

理想情况下,雅各布森表示,这项工作将导致计算模型,使研究人员能够预测任何类型支撑面上任何二维材料的特征。“更大的挑战是解决 反问题 - 也就是说,确定基板的形貌,这将产生沉积的原子薄膜的电子,光学或磁性功能所需的特定应变模式,”他说。

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