科學家正在嘗試使用窄帶石墨烯(稱為納米帶)，希望制造出酷炫的新型電子設備，但加州大學伯克利分校的科學家們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了另一種可能的作用：納米級電子陷阱，可能在量子計算機中應用。

石墨烯是一種碳原子，排列在類似雞絲的剛性蜂窩狀晶格中，具有自己有趣的電子特性。但是當科學家切斷寬度小于約5納米的條帶 - 不到人類頭發(fā)寬度的萬分之一時 - 石墨烯納米帶具有新的量子特性，使其成為硅半導體的潛在替代品。

加州大學伯克利分校理論學家，物理學教授史蒂文·路易(Steven Louie)去年曾預測，加入兩種不同類型的納米帶會產(chǎn)生一種獨特的材料，即在帶狀區(qū)段之間的連接處固定單個電子。

然而，為了實現(xiàn)這一點，兩個納米帶部件的電子“拓撲結(jié)構(gòu)”必須是不同的。這里的拓撲指的是當電子狀態(tài)通過納米帶機械地移動時傳播電子態(tài)所采用的形狀，這是一種在石墨烯納米帶中被忽略的微妙特性，直到路易的預測。

Louie的兩位同事，化學家Felix Fischer和物理學家Michael Crommie對他的想法和在納米帶中捕獲電子的潛在應用感到興奮，并聯(lián)合起來測試預測。他們一起能夠通過實驗證明具有適當拓撲結(jié)構(gòu)的納米帶的結(jié)被單個局部電子占據(jù)。

根據(jù)Louie的配方制作的納米帶，具有不同寬度的交替帶狀條帶，形成納米帶超晶格，產(chǎn)生一種能夠量子力學相互作用的康加系列電子。根據(jù)條帶的距離，新的混合納米帶可以是金屬，半導體或量子比特鏈，也是量子計算機的基本元素。

“這為我們提供了一種控制石墨烯納米帶電子和磁性的新方法，”加州大學伯克利分校物理學教授Crommie說。“我們花了數(shù)年時間使用更傳統(tǒng)的方法改變納米帶的性質(zhì)，但使用它們的拓撲結(jié)構(gòu)為我們提供了一種強有力的新方法來修改我們從未懷疑過的納米帶的基本特性。”

路易的理論暗示納米帶是拓撲絕緣體：不常見的材料是絕緣體，即內(nèi)部不導電，但沿其表面是金屬導體。2016年諾貝爾物理學獎授予了三位科學家，他們首先使用拓撲學的數(shù)學原理來解釋奇異的物質(zhì)量子態(tài)，現(xiàn)在被歸類為拓撲物質(zhì)。

三維拓撲絕緣體沿其兩側(cè)導電，二維拓撲絕緣體沿其邊緣導電，這些新的一維納米帶拓撲絕緣體邊緣具有等效的零維(0D)金屬，需要注意單個帶狀結(jié)處的0D電子被限制在所有方向上并且不能在任何地方移動。然而，如果另一個電子被類似地困在附近，那么這兩個電子可以沿納米帶隧穿，并通過量子力學的規(guī)則相遇。相鄰電子的旋轉(zhuǎn)，如果間隔恰到好處，應該糾纏在一起，以便調(diào)整一個影響其他電子，這是量子計算機必不可少的特征。

加州大學伯克利分校的化學教授菲舍爾說，雜化納米帶的合成是一項艱巨的任務。雖然理論家可以預測許多拓撲絕緣體的結(jié)構(gòu)，但這并不意味著它們可以在現(xiàn)實世界中合成。

“在這里你有一個非常簡單的方法，用于如何在一種非常容易獲得的材料中創(chuàng)建拓撲狀態(tài)，”Fischer說。“這只是有機化學。合成并不是微不足道的，但我們可以做到。這是一個突破，我們現(xiàn)在可以開始考慮如何利用它來實現(xiàn)新的，前所未有的電子結(jié)構(gòu)。”

研究人員將在8月9日的“ 自然 ”雜志上報告他們的綜合，理論和分析。Louie，F(xiàn)ischer和Crommie也是勞倫斯伯克利國家實驗室的教員科學家。

一起編織納米帶

Louie專注于從超導體到納米結(jié)構(gòu)的不尋常形式物質(zhì)的量子理論，撰寫了一篇2017年論文，描述了如何利用理論發(fā)現(xiàn)納米帶是一維拓撲絕緣體的石墨烯納米帶結(jié)。他的配方需要采用所謂的拓撲瑣碎的納米帶并將它們與拓撲上非平凡的納米帶配對，其中Louie解釋了如何通過觀察帶中電子所采用的量子力學狀態(tài)的形狀來區(qū)分兩者。

Fischer專門研究合成和表征不尋常的納米分子，他們發(fā)現(xiàn)了一種新的方法來制造原子級精確的納米帶結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可以表現(xiàn)出基于蒽的復雜碳化合物的這些特性。

Fischer和Crommie的研究團隊并肩工作，然后在真空室內(nèi)加熱的金催化劑上構(gòu)建納米帶，Crommie團隊使用掃描隧道顯微鏡確認納米帶的電子結(jié)構(gòu)。它完全符合路易的理論和計算。他們制造的混合納米帶具有50到100個結(jié)，每個結(jié)被單個電子占據(jù)，能夠與其鄰居進行量子機械相互作用。

“當你加熱積木時，你會得到一塊拼湊的分子被編織在一起，成為這個美麗的納米帶，”Crommie說。“但是因為不同的分子可以有不同的結(jié)構(gòu)，納米帶可以被設計成具有有趣的新特性。”

菲舍爾說，每個納米帶的長度可以改變，以改變被困電子之間的距離，從而改變它們在量子力學上的相互作用。當靠近在一起時，電子強烈地相互作用并分裂成兩個量子態(tài)(鍵合和反鍵合)，其性質(zhì)可以被控制，允許制造新的一維金屬和絕緣體。然而，當被捕獲的電子稍微分離時，它們就像小的量子磁體(自旋)一樣，可以被糾纏，是量子計算的理想選擇。

“這為我們提供了一個全新的系統(tǒng)，可以減輕未來量子計算機所需的一些問題，例如如何輕松地批量生產(chǎn)高精度量子點，并采用工程糾纏，可以直接方式將其整合到電子設備中，”Fischer說過。