石墨烯拓撲納米帶的電子陷阱實現新型量子材料

上圖所示為拓撲納米帶超晶格的掃描隧道顯微鏡圖像，電子被困在寬頻段之間的介面處和窄帶段處。寬段跨越（1.65納米）9個碳原子，而窄段僅橫跨（1.40納米）的7個碳原子。圖片來源：加州大學伯克利分校。

科學家正在試驗窄帶的石墨烯材料，稱為納米帶，希望能製造出新的電子設備，但是加州大學伯克利分校的科學家發現了另一種可能的作用，作為納米級電子陷阱在量子計算中的潛在應用。

石墨烯是一種碳原子，排列成剛性的蜂窩狀晶格，類似於鐵絲網，其本身具有有趣的電子特性。但是當科學家們切斷一條寬度不到5納米的寬度小於一萬分之一的人頭髮的寬度時，石墨烯納米帶就具有了新的量子特性，使之成為硅半導體的潛在替代物。

加州大學伯克利分校理論家物理學教授Steven Louie，去年預測，加入兩種不同類型的納米帶可以產生一種獨特的材料，可以在帶狀片段之間的連接處固定單電子。

然而，為了實現這一點，兩個納米帶的電子「拓撲」必須是不同的。這裡的拓撲是指電子態通過納米帶移動量子力學時所採用的形狀，這是在石墨烯納米帶中被忽略的一個微妙性質，直到Louie的預測。

Louie的兩位同事，化學家Felix Fischer和物理學家Michael Crommie，被他的想法和捕捉電子在納米帶中的潛在應用和合作來測試預測而感到興奮。他們一起實驗證明，具有適當拓撲的納米帶的結被單個局域電子佔據。

根據Louie的方法製作的納米帶，具有不同寬度的交替帶狀條帶，形成納米帶超晶格，產生電子量子力學的康格線。根據不同的條帶，新的雜化納米帶可是金屬、半導體或量子比特鏈，這是量子計算機的基本元素。

「這給了我們一種控制石墨烯納米帶的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。「我們用更傳統的方法多年來改變了納米帶的性質，但是利用它們的拓撲結構為我們提供了一個強大的新方法來改變我們從未懷疑存在的納米帶的基本性質。」

Louie的理論意味著納米帶是拓撲絕緣體，是不尋常的材料是絕緣體，也就是說，在內部不導電，但沿其表面的金屬導體。2016屆諾貝爾物理學獎授予三位科學家，他們首次使用拓撲的數學原理來解釋物質的奇怪的量子態，現在被歸類為拓撲材料。

三維拓撲絕緣體沿其邊導電，2D拓撲絕緣體片沿它們的邊緣傳導電，並且這些新的一維納米帶拓撲絕緣體在它們的邊緣上具有相當於零維（0D）的金屬，並且在帶狀結處的電子被限制，不能移動到任何地方。如果另一個電子同樣被困在附近，那麼，兩個可以沿著納米帶隧道，並通過量子力學的規則相遇。而相鄰電子的自旋，如果恰好間隔，就應該糾纏在一起，這樣調整一個時就會就影響其他，這是量子計算機必不可少的特徵。

合成這種混合的納米帶是一項艱巨的任務，加州大學伯克利分校的化學教授Fischer說。雖然理論上可以預測許多拓撲絕緣體的結構，但這並不意味著它們可以在現實世界中合成。

Fischer說：「這裡有一個非常簡單的配方，用於在一個非常容易接近的材料中創建拓撲狀態。這只是有機化學。合成不是微不足道的，當然，但我們可以做到。這是一個突破，我們現在可以開始思考如何利用它來實現新的、前所未有的電子結構。」

研究人員將在近日出版的《自然Nature》雜誌上報道他們的合成、理論和分析研究。Louie、Fischer和Crommie也是勞倫斯伯克利國家實驗室的科學家。

編織納米帶

專門研究非尋常物質的量子理論的Louie，從超導體到納米結構，在2017年撰寫了一篇論文，描述了如何利用石墨烯納米帶結的理論發現，即納米帶是一維的絕緣體。他的配方需要採用所謂的拓撲瑣碎的納米帶，並將它們與拓撲非平凡納米帶配對，其中Louie解釋了如何通過觀察帶中電子所採用的量子力學狀態的形狀來分辨兩者之間的差異。

專門研究合成和表徵不尋常的納米分子的Fischer發現了一種新的方法來製造原子精確的納米帶結構，這些結構將根據複雜碳化合物表現出這些性質。

通過合作，Fischer和Crommie的研究團隊在真空室內加熱的金催化劑的頂部建立了納米帶，Crommie的團隊使用掃描隧道顯微鏡來確認納米帶的電子結構。它完全符合Louie的理論和計算。他們製造的雜環納米帶在50到100個結之間，每個都被一個單獨的電子所佔據，能夠與它的鄰居量子機械地相互作用。

Crommie說：「當你加熱材料時，你會得到一堆拼接在一起的分子，被編織成這個美麗的納米帶中。但是由於不同的分子可以有不同的結構，納米帶可以被設計成具有有趣的新特性。」

Fischer說，每個納米帶的長度可以改變，以改變俘獲電子之間的距離，從而改變數子力學如何相互作用。當緊密結合時，電子強烈地相互作用，分裂成兩個量子態（鍵合和反鍵），其性質可以被控制，從而允許製造新的1D金屬和絕緣體。然而，當被捕獲的電子稍微分離時，它們的作用就像小的量子磁體（自旋），它們可以糾纏在一起，這將是量子計算的理想選擇。

「這為我們提供了一個全新的系統，它減輕了未來量子計算機所面臨的一些問題，例如如何容易地批量生產高精度的量子點，這些量子點可以以簡單的方式結合到電子設備中，」Fischer說。

來源：https://phys.org/news/2018-08-topological-graphene-nanoribbons-electrons-quantum.html

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！