華人科學家在二維材料取得數項突破，助力開發室溫量子計算機

加州大學歐文分校和其他一些院校的物理學家們已經製造出一種新型二維量子材料，該材料在電學性能和磁學性能上的重大突破，有望使其成為未來量子計算機和其他先進的電子器件的基石。

上月發表在《Nature》、《Science Advances》、《Nature Materials》上的三個獨立研究成果，探索了全新材料二維態背後的物理機制，並確定這些二維態能夠將計算機的能力和速度推向新的高度。這些研究人員來自加州大學歐文分校、加州大學伯克利分校、勞倫斯伯克利國立實驗室，普林斯頓大學，復旦大學和馬里蘭大學。

這三項研究都是在極低的溫度下進行的，並且傳遞信號的載流子都不是基於傳統硅技術的電子，而是狄拉克費米子或馬約拉納費米子，這些粒子沒有質量，能夠以接近光速的速度運行。

加州大學歐文分校的物理學和天文學副教授夏晶，同時他也是上述論文中兩篇的通訊作者，他表示：「最終，我們能將這些目前聽起來天方夜譚般的物理理論帶進現實生活中，製造出一些極其有用的東西。我們正在探索在100年內製造出拓撲量子計算機的可能性。」

這類研究的關鍵難點在於如何處理和分析尺寸極小的材料樣本，這些樣本的長和寬只有數微米，厚度則僅有兩個原子。夏晶在加州大學歐文分校的實驗室配備有基於光纖的薩格納克干涉儀顯微鏡（目前僅存兩台，另一台在斯坦福大學，是由夏晶組裝，那時他還是斯坦福大學的研究生）。

夏晶稱它為世界上最敏感的磁顯微鏡。打個比方來說，這樣的顯微鏡可以用來在整個紐約市中找出一隻特定的鳥的眼睛。

加州大學歐文分校的研究生、上述其中兩篇論文的第一作者阿歷克斯·斯特恩（Alex Stern）表示：「這台機器是用以此項研究的理想測量工具，這是直接觀測材料磁性的最精確的方式。」

這兩篇論文中一篇於4月26日發表在了《Nature》上，研究人員創造了一種叫做鉻鍺碲化合物（CGT）的新材料，並且使用薩格納克干涉儀，在零下232.78攝氏度，詳細地對該材料的微尺寸樣品的磁性質進行了觀察。

CGT很像石墨烯，它也是超薄的原子膜。石墨烯自被發現以來，一直被認為是下一代計算機和其他器件中的硅材料的潛在替代品，因為電子在其幾乎「完美平坦」的表面上具有極快的傳輸速度。

但是這裡存在一個問題：計算機的某些組件，如內存和存儲系統都需要同時利用材料的電特性和磁特性。石墨烯只有優異的電特性卻沒有磁特性，而CGT則兩者都有。

另外一篇發表在《Science Advances》的論文也使用了薩格納克干涉儀，以精確研究在鉍和鎳發生接觸的瞬間會發生什麼，這項研究也在極低的溫度（-268.89攝氏度）下進行。夏晶稱，他們團隊發現這兩種金屬的接觸界面是一個奇異的超導體，並打破了時間反演對稱。

夏晶表示：「你可以想像一下，如果時間倒轉，一杯紅茶突然就變成綠茶了，是不是很神奇？這是第一次在二維材料中觀察到這樣的現象。二維超導中的載流子是馬約拉納費米子，理論物理學家認為馬約拉納費米子對量子計算至關重要。現在的問題是如何在室溫下實現二維超導，第三項研究有望克服低溫的限制。」

2012年，夏晶的實驗室向國防高等研究計劃署遞交了一個射頻振蕩器，主要材料是六硼化釤。六硼化釤的內部是絕緣體，但是卻允許傳輸信號的狄拉克費米子在其二維表面自由運動形。

加州大學歐文分校的研究人員使用夏晶實驗室的特殊裝置（也是世界上唯一一台）對六硼化釤樣品施加拉伸應變，最終在發表《Nature Materials》的論文中展示了結果——六硼化釤奇異的二維表面態在零下32.78攝氏度下也能保持穩定。

夏晶笑著說道：「信不信由你，這樣的溫度比加拿大的某些地區的氣溫要高，這項研究向著製造出室溫條件下的量子計算機邁出了一大步。」

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