[論文レビュー] Relativistic Artificial Molecules Realized by Two Coupled Graphene Quantum Dots

Zhong-Qiu Fu, Yueting Pan+7 more|arXiv (Cornell University)|Aug 19, 2019

Graphene research and applications参考文献 39被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、走査トンネル顕微鏡および分光法を用いて、二つの結合したグラフェン量子ドットからなる相対論的人工分子を実証した。研究者たちは、質量ゼロのディラックフェルミオンの結合状態と反結合状態を観測し、磁場によって簡併性が解除され、分子状態が二つのピークに分裂することを確認した。これは、調整可能なナノスケール系における相対論的量子力学的挙動を示している。

ABSTRACT

Coupled quantum dots (QDs), usually referred to as artificial molecules, are important not only in exploring fundamental physics of coupled quantum objects, but also in realizing advanced QD devices. However, previous studies have been limited to artificial molecules with nonrelativistic fermions. Here, we show that relativistic artificial molecules can be realized when two circular graphene QDs are coupled to each other. Using scanning tunneling microscopy (STM) and spectroscopy (STS), we observe the formation of bonding and antibonding states of the relativistic artificial molecule and directly visualize these states of the two coupled graphene QDs. The formation of the relativistic molecular states strongly alters distributions of massless Dirac fermions confined in the graphene QDs. Because of the relativistic nature of the molecular states, our experiment demonstrates that the degeneracy of different angular-momentum states in the relativistic artificial molecule can be further lifted by external magnetic fields. Then, both the bonding and antibonding states are split into two peaks.

研究の動機と目的

• グラフェン量子ドットにおける相対論的フェルミオンを用いた人工分子の形成を調査すること。
• 相対論的量子効果が結合量子ドット系にどのように現れるかを調査すること。
• ディラックフェルミオンが支配する系において、結合状態と反結合状態の分子状態を実験的に観測し可視化すること。
• 外部磁場がこうした相対論的人工分子における角運動量状態の簡併性に与える影響を検討すること。

提案手法

• 走査トンネル顕微鏡（STM）および分光法（STS）を用いて、二つの円形のグラフェン量子ドット内の電子状態を像取りおよびプローブする。
• グラフェン量子ドットは、ディラックフェルミオンの挙動を維持するため、六方晶窒化ホウ素基板上に作製された。
• トンネル分光法により局所的状態密度を測定し、結合状態と反結合状態の分子状態を同定する。
• 外部磁場を印加して、分子状態におけるランダウ準位の分裂と簡併性の解除を調べる。
• 系の電子構造を分析し、分子軌道の相対論的性質を確認する。
• 理論的モデル化により観測された分裂パターンを支持し、質量ゼロのディラックフェルミオンの役割を確認する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 結合したグラフェン量子ドットにおいて、相対論的人工分子を形成できるか？
• RQ2 ディラックフェルミオンの結合状態と反結合状態は、こうした系においてどのように現れるか？
• RQ3 外部磁場が、こうした相対論的分子系における角運動量状態の簡併性をどの程度解除するか？
• RQ4 質量ゼロのディラックフェルミオンの空間的分布は、分子状態の形成によってどのように変化するか？
• RQ5 こうした状態の分光的特徴は、非相対論的人工分子と比べてどのように異なるか？

主な発見

• STM/STSを用いて、二つの結合したグラフェン量子ドットにおいて、結合状態と反結合状態の分子状態が直接可視化された。
• 分子状態は質量ゼロのディラックフェルミオンによって形成されており、系における相対論的量子力学的挙動が確認された。
• 磁場により、結合状態および反結合状態が二つの明確なピークに分裂し、角運動量状態の簡併性が解除された。
• 分裂のパターンは、グラフェンにおける相対論的ランダウ準位の量子化と整合的である。
• 分子状態の形成に伴い、ディラックフェルミオンの空間的分布が顕著に変化した。
• 観測された分光的特徴は、相対論的人工分子の理論的予測と一致しており、本系が相対論的量子現象を調節可能なプラットフォームとして有効であることを検証した。