[论文解读] Electronically-Pristine and Locally-Tunable One-Dimensional Systems Created in Carbon Nanotubes Using Nano-Assembly

Jonah Waissman, M. Honig+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 12, 2013

Quantum and electron transport phenomena参考文献 2被引用 29

一句话总结

本文提出一种利用纳米组装栅极电极在悬浮碳纳米管中构建电子学上纯净、可局部调控的一维电子系统的新型方法。通过精确控制栅压，电子可在纳米管上实现局域化并可逆移动，且无序效应极小，表现为近乎完美的镜像对称输运特性，从而实现一维系统中高分辨率的量子工程。

ABSTRACT

Recent years have seen the development of several experimental systems capable of tuning local parameters of quantum Hamiltonians. Examples include ultracold atoms, trapped ions, superconducting circuits, and photonic crystals. Condensed matter analogues, where fermionic statistics and strong interactions occur naturally, remain challenging to implement due to the inevitable existence of electronic disorder in the solid state. Here, we demonstrate a new technology for deterministic creation of locally-tunable, ultra-low-disorder electron systems in carbon nanotubes suspended over circuits of unprecedented complexity. Using transport experiments we show that electrons can be localized at any position along the nanotube and smoothly shuttled from location to location. Nearly perfect mirror symmetry of transport characteristics about the center of the tube establishes the negligible effects of electronic disorder. Our system thus allows experiments in engineered one-dimensional potentials with spatial resolution limited only by the density of gates. We further demonstrate the ability to position multiple nanotubes at chosen separations, generalizing these devices to coupled one-dimensional systems. These new capabilities open the door to a broad spectrum of new experiments on electronics, mechanics, and spins in one dimension.

研究动机与目标

• 为克服固态一维电子系统中的电子无序问题，该问题限制了量子实验的开展。
• 开发一种可确定性的制造方法，用于在碳纳米管中构建局部可调谐的量子系统。
• 在最小无序效应下，实现对电子局域化与输运的空间控制。
• 通过在受控间距下排列多个纳米管，实现耦合一维系统的构建。
• 建立一个用于研究工程化一维势阱中强关联电子、自旋及量子输运的平台。

提出的方法

• 将碳纳米管悬置于复杂且纳米组装的栅极电极电路之上，以实现局部静电调控。
• 以高空间精度图案化静电栅极，沿纳米管形成可调谐量子点和势能景观。
• 利用输运测量探测电子局域化与迁移率，通过对称性分析揭示无序水平。
• 应用输运特性镜像对称性分析以量化电子无序，结果显示近乎理想对称。
• 通过在受控间距下排列多个纳米管，形成耦合一维系统，以研究链间相互作用。
• 该系统可通过顺序调节栅压，实现电子在指定位置间的平滑输运。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用纳米组装栅极在碳纳米管中实现超低无序、可局部调控的一维电子系统？
• RQ2 通过该制造方法，固态一维系统中的电子无序能在多大程度上被抑制？
• RQ3 能否在高空间分辨率下精确局域化并沿纳米管输运电子？
• RQ4 输运特性的对称性在多大程度上反映了电子环境的质量？
• RQ5 能否通过在受控间距下排列多个纳米管，实现耦合一维系统的工程化？

主要发现

• 通过栅压可将碳纳米管系统中的电子在纳米管上任意位置实现高精度局域化。
• 输运特性关于纳米管中心表现出近乎完美的镜像对称性，表明电子无序可忽略不计。
• 电子可在局域化位置之间实现平滑输运，展示了对电子位置的动态控制能力。
• 该系统实现的空间分辨率仅受栅极密度限制，可实现对一维势能的高精度工程化。
• 多个纳米管可被置于选定间距，从而实现耦合一维电子系统的构建。
• 该平台为在一维系统中开展量子输运、多体效应及自旋物理的新实验提供了可能。