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物理|囚禁于纳米围栏中的量子( 六 )


 
这里的物理已经呼之欲出：纳米量子围栏正好可以调控围栏内费米面处的电子态密度 ， 对吧？！所以 ， 纳米量子围栏正好可以调控近藤系统的近藤温度 ， 对吧？！
 
在实验测量上 ， 低温扫描隧道显微镜则提供了一种研究近藤效应的有效手段 。 由于磁性杂质与传导电子的散射产生了一种共振现象即近藤共振 ， 近藤效应使得在磁性杂质上方测得的隧道谱在费米能级附近呈现出具有一定宽度的峰或谷 ， 其宽度反映了近藤温度的高低 。
 
具体到一个有限尺寸体系而言 ， 其费米态密度就有体态费米态密度与表面态费米态密度之分 。 利用体态密度来调控近藤温度的物理已众所周知 ， 然而表面态是否与近藤效应密切联系 ， 或者说表面态是否参与近藤效应调控却并不明确 。 这一问题历史上曾经有过一段时间的争议 。
 
看君阅到此处 ， 应该更加明了用量子围栏来研究近藤效应的价值：因为围栏内的量子尺寸效应就是针对表面态密度的 ， 所以这样的研究有望澄清表面态密度是不是与近藤效应有密切联系 ， 或者说表面态密度能不能参与调控近藤效应 。 这样的一个物理系统 ， 可以算是踏破铁鞋无觅处 ， 似乎就是为了研究表面态物理而生的 。
 
我们高兴的是 ， 这一争议不久前得到消解 ， 详细结果可参见文献 [Phys. Rev. B 97,035417 (2018)] 。 这里 ， 我们只给出简洁的描述：
 
(1)   构建一个系统：在足够大的 Ag (111) 表面构建不同的 Co 原子围栏 ， 如图 8(a) 和 (b) 所示 。 其中 (a) 中的围栏中心有一个 Co 原子 ， (b) 中就没有 。 这样的两个系统 ， 中心有原子的即形成一个近藤体系 ， 中心空的围栏即不是 。
 
(2)   现在对 (a) 中围栏中心的 Co 原子实施 STM 隧道谱测量 ， 得到隧道谱的近藤共振宽度 w (量纲为 meV ， 除以玻尔兹曼常数即得近藤温度) 。 针对一系列不同尺寸 (半径为 r ) 的围栏 ， 测量其中心 Co 原子的近藤温度 w ， 得到 w  与 r  的关系 ， 如图 8(c) 所示 。 可以看到 ， w (r ) 呈现的是一条衰减振荡曲线 。
(3)   针对围栏中心没有 Co 原子的情况 ， 即不存在近藤效应的情况 ， 可以测量费米能级处的扫描隧道谱 ， 提取其 dI / dV 数据 ， 也就是表面态密度的高低 。 测量发现 ， dI / dV  数据与 r 有类似形状的衰减振荡关系 ， 如图 8(d) 所示 。
(4)   两者的相似性毫无疑义地证明表面态密度对近藤共振有调控作用 。
 
物理|囚禁于纳米围栏中的量子
本文图片

图8. 纳米围栏对近藤共振宽度 w  的调制 。 图 (a) 和 (b) 分别为中心有 Co 原子和中心没有 Co 原子的 Co 原子围栏之 STM 形貌图 。 (c) 围栏中心 Co 原子的近藤共振宽度 w  随围栏半径 r 的依赖关系 。 (d) 中心为空的 Co 原子围栏的局域表面态密度 (费米能级处的扫描隧道谱 dI / dV 与围栏半径 r 的关系 。 红色曲线是拟合结果 。 参考文献 [Phys. Rev. B 97, 035417 (2018)] 。
 
6. 量子逻辑门
 
最后 ， 我们展示量子围栏的一类可能的应用 ， 或者说展示一个基于量子围栏的量子信息原型器件 。 设计并制造这样的器件 ， 使之能够工作和实用 ， 才是我们物理人对消费纳税人劳动的回报 。
 
纳米围栏中的量子尺寸效应并非只是阳春白雪 ， 可以用来构造原子层次的逻辑门器件 。 这一器件正是基于上一节的“近藤系统”延伸出来 。 Manoharan 等人在 2000 年左右观测到诱人的近藤共振量子海市蜃楼现象 ， 展示了纳米尺度下信息传输的可能性 。 然而 ， 基于近藤效应的量子海市蜃楼只存在于费米能附近 。 最近 ， 实验观测到 ， 不依赖于近藤效应也可以构造出量子海市蜃楼 ， 且这一效应有相对较高的信息传输效率、能在一个较宽能量范围内进行操控 。 利用这些优点 ， 原子尺度下的逻辑门就成为可能 ， 诸如“非门”、“扇出门”与“或门”即可构建出来 。 详细内容可见文献 [Nature Commun. 11, 1400 (2020)] 。
 
这里的设计思路如下：
 
(1)   椭圆型围栏的焦点作为信息输入和输出端 ， 其中输入 “1” / “0” 对应于椭圆纳米围栏的一个焦点处原子“有”/“无” ， 而输出 “1” / “0” 则通过另外一个焦点处诱发的量子蜃楼之扫描隧道谱强度高/低值来表现 。
 
(2)   “非门”是一个两端结构 ， 正好对应着椭圆纳米围栏中的反转量子海市蜃楼 。
(3)   要实现“扇出门”和“或门” ， 需要构造一个三端结构 。 这种三端结构也许有很多方案来构建 ， 但最简单的方案是通过组合两个椭圆围栏来实现 ， 这两个椭圆共用一个焦点 ， 从而构成一个哑铃型的围栏 。 图 9(a) 所示即为这一概念下的“扇出门” ， 其中两个椭圆围栏的共同焦点 A 处原子“无” / “有”分别对应着输入 “0” 和 “1”， 如图 9(a) 显示 A 处“无” ， 如图 9(c) 显示 A 处“有” 。 而输出的分别是焦点 B 和 C 处的扫描隧道谱数值大小 ， 如图 9(b) 和 9(d) 所示 。 当 A 处没有原子时 (输入为 “0”) ， 输出 B 和 C 处的扫描隧道谱值很低 (输出为 “0”)；当 A 处有原子时 (输入为 “1”) ， 输出 B 和 C 处的扫描隧道谱值很高 (输出为 “1”) 。 这样 ， 输出与输入满足“扇出门”函数关系 。


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