由單個元素的原子組成的材料，但根據(jù)原子排列具有完全不同的特性 - 這可能聽起來很奇怪，但實(shí)際上是石墨烯納米帶的現(xiàn)實(shí)。這些帶只有幾個碳原子寬且正好一個原子厚，根據(jù)它們的形狀和寬度具有非常不同的電子特性：導(dǎo)體，半導(dǎo)體或絕緣體。由Empa的“納米技術(shù)@表面”領(lǐng)導(dǎo)的國際研究團(tuán)隊(duì)。

實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)在已成功通過專門改變其形狀來精確調(diào)整色帶的特性。該技術(shù)的特殊之處在于，不僅可以改變上述“常用”電子特性 - 它還可以用于產(chǎn)生特定的局部量子態(tài)。

那背后是什么呢?如果窄石墨烯納米帶的寬度發(fā)生變化，在這種情況下從7到9個原子，則在過渡處產(chǎn)生一個特殊區(qū)域：因?yàn)檫@兩個區(qū)域的電子特性在一種特殊的，所謂的拓?fù)浞绞缴鲜遣煌模?“因此在過渡區(qū)產(chǎn)生了非常強(qiáng)大的新量子態(tài)。這種局部電子量子態(tài)現(xiàn)在可以用作生產(chǎn)定制半導(dǎo)體，金屬或絕緣體的基本組件 - 甚至可能用作量子計(jì)算機(jī)中的組件。

在OliverGröning領(lǐng)導(dǎo)下的Empa研究人員能夠證明，如果這些色帶是由具有不同寬度的規(guī)則交替區(qū)域構(gòu)建的，則通過眾多過渡產(chǎn)生一系列具有其自身電子結(jié)構(gòu)的相互連接的量子態(tài)。令人興奮的是，鏈條的電子特性會根據(jù)不同部分的寬度而變化。這使得它們可以進(jìn)行精細(xì)調(diào)整 - 從導(dǎo)體到具有不同帶隙的半導(dǎo)體。該原理可應(yīng)用于許多不同類型的過渡區(qū) - 例如，從7到11個原子。

“加利福尼亞大學(xué)伯克利分校的一個研究小組獨(dú)立于我們得出了類似的結(jié)果，這一事實(shí)也凸顯了這一發(fā)展的重要性，”格倫寧說。美國研究小組的工作已發(fā)表在同一期“ 自然”雜志上。

在去納電子的路上

基于這些新型量子鏈，未來可以制造出精密的納米晶體管 - 這是納米電子學(xué)的一個重要步驟。納米晶體管的“1”狀態(tài)和“0”狀態(tài)之間的切換距離實(shí)際上是否足夠大取決于半導(dǎo)體的帶隙 - 并且使用新方法，這幾乎可以隨意設(shè)置。

然而，實(shí)際上，這并不是那么簡單：因?yàn)殒溇哂兴璧碾娮犹匦?，所以幾百甚至幾千個原子中的每一個都必須在正確的位置。“這是基于復(fù)雜的跨學(xué)科研究，”Empa研究員Gröning說。“來自Dübendorf，Mainz，Dresden和Troy(美國)不同學(xué)科的研究人員共同合作 - 從理論上的理解和如何構(gòu)建前體分子的具體知識，以及如何使用選擇性生長表面上的結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)和電子分析掃描隧道顯微鏡。“

探索量子領(lǐng)域

超小晶體管 - 這是電子電路進(jìn)一步小型化的下一步 - 是這里明顯的應(yīng)用可能性：盡管它們在技術(shù)上具有挑戰(zhàn)性，但基于納米晶體管的電子設(shè)備實(shí)際上與當(dāng)今的微電子技術(shù)基本相同。由Empa研究人員生產(chǎn)的半導(dǎo)體納米帶允許晶體管的通道橫截面比現(xiàn)在通常制造的小1000倍。然而，還可以想象進(jìn)一步的可能性，例如在自旋電子學(xué)或甚至量子信息學(xué)領(lǐng)域。

這是因?yàn)椴煌瑢挾鹊氖┘{米帶的結(jié)處的電子量子態(tài)也可以攜帶磁矩。這可以使得有可能不按照以前的慣例處理信息，而是通過所謂的旋轉(zhuǎn) - 在比喻意義上來說，是國家的“旋轉(zhuǎn)方向”。而且發(fā)展甚至可以更進(jìn)一步。“我們觀察到拓?fù)淠┒藸顟B(tài)出現(xiàn)在某些量子鏈的末端。這提供了將它們用作所謂量子位元素的可能性 - 量子計(jì)算機(jī)中復(fù)雜的互鎖狀態(tài)，”OliverGröning解釋說。

然而，今天和明天，沒有量子計(jì)算機(jī)是由納米帶構(gòu)建的 - 仍然需要進(jìn)行大量研究，Gröning說：“通過各個量子態(tài)的有針對性組合靈活調(diào)整電子特性的可能性代表了我們的一次重大飛躍。用于生產(chǎn)超小型晶體管的新材料。“ 這些材料在環(huán)境條件下穩(wěn)定的事實(shí)在未來應(yīng)用的發(fā)展中起著重要作用。“鏈條創(chuàng)造局部量子態(tài)并以有針對性的方式將它們連接在一起的進(jìn)一步發(fā)展?jié)摿σ擦钊酥裕?rdquo;Gröning繼續(xù)說道。“然而，這種潛力是否真的可以用于未來的量子計(jì)算機(jī)還有待觀察。