2020年4月1日
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基于量子围栏的原子层次逻辑门设计与构建

海市蜃楼是自然界中一种十分有趣的现象。量子海市蜃楼效应(Quantum mirage)是海市蜃楼的量子版本,该效应显示椭圆量子围栏中其中一个焦点所摆放原子的近藤效应能在另一个焦点处被探测到,从而展示了一种在原子尺度下传输信息的可能性,并能对原子和分子性质进行几乎无干扰的远端探测。前人的工作是利用近藤效应来实现量子海市蜃楼,仅能在费米能级附近进行探测。这很大程度上限制了它物理机制的探索和可能应用。物理学院丁海峰课题组新近发现了一种不依赖近藤效应的量子海市蜃楼效应,该效应不再局限于费米能级附近,而是能够在较宽的能量范围内进行探测,在此基础上还揭示了量子海市蜃楼的物理机制并构建了在原子尺度上的基本逻辑门。

结合系统的实验探究和解析模型,该研究揭示了量子海市蜃楼的形成机制,表明量子海市蜃楼是由椭圆量子围栏的一个没有放置原子的焦点的电子波函数与经过围栏和放置在另一焦点处的原子反射回来的波函数相干叠加的结果。在此基础上还进一步通过对量子海市蜃楼的精密调控实现了基本逻辑操纵,如逻辑非门,扇出门和或门等。图1展示了逻辑非门。与量子海市蜃楼中利用量子相干叠加中相干增强的原理不同,逻辑非门的设计是基于量子相干叠加中的相干相消。当在椭圆的左焦点中放置原子时(输入为“1”,形貌图如图1a所示),相干相消使得输出的信号(如图1b所示,右焦点的dI/dV强度)减弱,形成信号为“0”的输出,而当左焦点处未放置原子时(输入为“0”,形貌图如图1c所示),形成信号为“1”的输出(如图1d所示),从而形成逻辑非门。

图1.逻辑非门(NOT gate): (a) 在椭圆量子围栏左焦点放置1个Fe原子的形貌图。(b) 相应的在39 mV下的dI/dV谱图,在右焦点处,相干相消使得输出信号为“0”。(c) 在椭圆左焦点处为空置的形貌图。(d) 相应的在39 mV下的dI/dV谱图,右焦点处出现强的信号,输出为“1”。

一个椭圆仅有两个焦点,而逻辑们的输入输出端通常不止两个。为了解决这一问题,研究者设计了一种特殊的共焦椭圆,如图2a所示,将两个椭圆量子围栏的其中一个焦点重合,形成共焦椭圆。图2展示的是逻辑扇出门,将共焦椭圆中的共同焦点作为输入端(A),其余两个焦点作为输出端(B和C)。可以看出当输入端(A)处没有原子时,输出端(B和C)具有很低的dI/dV输出信号(输出为“0”)。而当在输入端(A)处放置一个原子时,输出端(B和C)能够得到很强的扫描隧道谱输出信号(输出为“1”)。当将输入端和输出端交换时,也能够实现逻辑或门。

图2. 逻辑扇出门(FANOUT gate)。(a) 共焦椭圆形貌图。(b) 相应的在34 mV下的dI/dV谱图。(c)在共焦椭圆共同焦点处放置一个Fe原子的形貌图。(d) 与之对应的在34 mV下的dI/dV谱图。输入为共同焦点(A)处的原子占据与否(1或0),输出为其它两个焦点(B和C)处的dI/dV值高低(1或0)。

该工作以“Kondo free mirages in elliptical quantum corrals”为题发表在《自然通讯》上。论文第一作者为物理学院李启立博士,物理学院陈宫教授、孙亮副教授、缪冰锋副教授,电子学院韩平教授参与了该工作。该工作得到了人工微结构科学与技术协同创新中心、固体微结构物理国家重点实验室、科技部重点研发计划、国家自然科学基金、中国博士后科学基金、江苏省自然科学基金的经费资助。

课题组的网址是:http://ldm.nju.edu.cn