ทฤษฎีสนามแม่เหล็ก

อิเล็กตรอนในกราฟีน (รูปแบบอะตอมของคาร์บอนบาง) ทำตัวราวกับว่ามันไม่มีมวล เช่นเดียวกับโฟตอน ซึ่งเป็นอนุภาคของแสงที่ไม่มีมวล แม้ว่ากราฟีนอิเล็กตรอนจะไม่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วแสง แต่พวกมันก็แสดงความสัมพันธ์ระหว่างพลังงานกับโมเมนตัมเช่นเดียวกับโฟตอน และสามารถอธิบายได้ว่าเป็น "สัมพัทธภาพพิเศษ" เมื่ออิเล็กตรอนเหล่านี้ถูกจำกัดอยู่ในควอนตัมดอท พวกมันเดินทางด้วยความเร็วสูงเป็นวงกลมรอบขอบของดอท Jairo Velasco Jr. รองศาสตราจารย์ด้านฟิสิกส์ของ UC Santa Cruz อธิบายว่า "วงจรกระแสเหล่านี้สร้างโมเมนต์แม่เหล็กที่ไวต่อสนามแม่เหล็กภายนอกมาก" "ความไวของลูปปัจจุบันนี้เกิดจากข้อเท็จจริงที่ว่ากราฟีนอิเล็กตรอนมีความสัมพันธ์แบบพิเศษและเดินทางด้วยความเร็วสูง" Velasco เป็นผู้เขียนบทความเกี่ยวกับผลการวิจัยใหม่ซึ่งตีพิมพ์เมื่อวันที่ 6 มีนาคมในNature Nanotechnology กลุ่มของเขาที่ UC Santa Cruz ใช้กล้องจุลทรรศน์อุโมงค์สแกน (STM) เพื่อสร้างจุดควอนตัมในกราฟีนและศึกษาคุณสมบัติของมัน ผู้ร่วมงานในโครงการของเขาประกอบด้วยนักวิทยาศาสตร์ที่มหาวิทยาลัยแมนเชสเตอร์ สหราชอาณาจักร และสถาบันวัสดุศาสตร์แห่งชาติในญี่ปุ่น "นี่เป็นการทำงานร่วมกันอย่างมาก" Velasco กล่าว "เราทำการวัดในห้องทดลองของฉันที่ UCSC จากนั้นเราก็ทำงานอย่างใกล้ชิดกับนักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีที่มหาวิทยาลัยแมนเชสเตอร์เพื่อทำความเข้าใจและตีความข้อมูลของเรา" คุณสมบัติทางแสงและทางไฟฟ้าที่เป็นเอกลักษณ์ของควอนตัมดอท แม่เหล็ก ซึ่งมักทำจากผลึกนาโนของเซมิคอนดักเตอร์ เกิดจากการที่อิเล็กตรอนถูกกักขังอยู่ภายในโครงสร้างระดับนาโน ซึ่งพฤติกรรมของพวกมันจะถูกควบคุมโดยกลศาสตร์ควอนตัม เนื่องจากโครงสร้างทางอิเล็กทรอนิกส์ที่เกิดขึ้นนั้นเหมือนกับของอะตอม จึงมักเรียกจุดควอนตัมว่า "อะตอมเทียม" วิธีการของ Velasco สร้างจุดควอนตัมในรูปแบบต่างๆ ของกราฟีนโดยใช้ "คอก" ไฟฟ้าสถิตเพื่อจำกัดอิเล็กตรอนที่เร่งความเร็วของกราฟีน "ส่วนหนึ่งของสิ่งที่ทำให้สิ่งนี้น่าสนใจคือฟิสิกส์พื้นฐานของระบบนี้และโอกาสในการศึกษาฟิสิกส์ของอะตอมในระบอบสัมพัทธภาพพิเศษ" เขากล่าว "ในขณะเดียวกันก็มีความเป็นไปได้ที่น่าสนใจสำหรับสิ่งนี้ในฐานะเซ็นเซอร์ควอนตัมชนิดใหม่ที่สามารถตรวจจับสนามแม่เหล็กในระดับนาโนด้วยความละเอียดเชิงพื้นที่สูง" นอกจากนี้ยังสามารถสมัครเพิ่มเติมได้ตาม Zhehao Ge ผู้เขียนร่วมคนแรก นักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาสาขาฟิสิกส์ของ UCSC กล่าว "การค้นพบในงานของเรายังบ่งชี้ว่ากราฟีนควอนตัมดอทสามารถโฮสต์กระแสคงที่ขนาดยักษ์ (กระแสไฟฟ้าถาวรโดยไม่จำเป็นต้องใช้แหล่งพลังงานภายนอก) ในสนามแม่เหล็กขนาดเล็ก" Ge กล่าว "กระแสดังกล่าวสามารถใช้สำหรับการจำลองควอนตัมและการคำนวณควอนตัม" การศึกษาดูที่ควอนตัมดอทในกราฟีนชั้นเดียวและกราฟีนสองชั้นบิด กราฟีนวางอยู่บนชั้นฉนวนของโบรอนไนไตรด์หกเหลี่ยม และแรงดันไฟฟ้าที่ใช้กับปลาย STM จะสร้างประจุในโบรอนไนไตรด์ที่ทำหน้าที่กักอิเล็กตรอนในกราฟีนด้วยไฟฟ้าสถิต แม้ว่าห้องปฏิบัติการของ Velasco จะใช้ STM เพื่อสร้างและศึกษากราฟีนควอนตัมดอท แต่ระบบที่ง่ายกว่าโดยใช้อิเล็กโทรดโลหะในอาร์เรย์แบบคานขวางสามารถใช้ในอุปกรณ์เซ็นเซอร์แม่เหล็กได้ เนื่องจากกราฟีนมีความยืดหยุ่นสูง เซ็นเซอร์จึงสามารถรวมเข้ากับพื้นผิวที่ยืดหยุ่นได้เพื่อให้สามารถตรวจจับสนามแม่เหล็กของวัตถุโค้งได้ "คุณสามารถมีจุดควอนตัมจำนวนมากในอาร์เรย์ และสิ่งนี้สามารถใช้วัดสนามแม่เหล็กในสิ่งมีชีวิต หรือเพื่อทำความเข้าใจว่าสนามแม่เหล็กกระจายตัวในวัสดุหรืออุปกรณ์อย่างไร" Velasco กล่าว