石墨烯納米帶中的量子鏈，納米研究的突破

研究人員已經取得了一項突破，未來可用於精確的納米晶體管，或者 - 在遙遠的未來 - 甚至可能用於量子計算機，正如研究小組報告的那樣。

當石墨烯納米帶包含不同寬度的部分時，可以在過渡區中產生非常穩健的新量子態。

由單個元素的原子組成的材料，但根據原子排列具有完全不同的特性 - 這可能聽起來很奇怪，但實際上是石墨烯納米帶的現實。這些帶只有幾個碳原子寬且正好一個原子厚，根據它們的形狀和寬度具有非常不同的電子特性：導體，半導體或絕緣體。由Empa的「納米技術@表面」領導的國際研究團隊。

實驗室現在已成功通過專門改變其形狀來精確調整色帶的特性。該技術的特殊之處在於，不僅可以改變上述「常用」電子特性 - 它還可以用於產生特定的局部量子態。

那背後是什麼呢？如果窄石墨烯納米帶的寬度發生變化，在這種情況下從7到9個原子，則在過渡處產生一個特殊區域：因為這兩個區域的電子特性在一種特殊的，所謂的拓撲方式上是不同的， 「因此在過渡區產生了非常強大的新量子態。這種局部電子量子態現在可以用作生產定製半導體，金屬或絕緣體的基本組件 - 甚至可能用作量子計算機中的組件。

在OliverGr?ning領導下的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則交替區域構建的，則通過眾多過渡產生一系列具有其自身電子結構的相互連接的量子態。令人興奮的是，鏈條的電子特性會根據不同部分的寬度而變化。這使得它們可以進行精細調整 - 從導體到具有不同帶隙的半導體。該原理可應用於許多不同類型的過渡區 - 例如，從7到11個原子。

「加利福尼亞大學伯克利分校的一個研究小組獨立於我們得出了類似的結果，這也證明了這種發展的重要性，」格倫寧說。美國研究小組的工作已發表在同一期「 自然」雜誌上。

在去納電子的路上

基於這些新型量子鏈，未來可以製造出精確的納米晶體管 - 這是納米電子學的一個重要步驟。納米晶體管的「1」狀態和「0」狀態之間的切換距離實際上是否足夠大取決於半導體的帶隙 - 並且使用新方法，這幾乎可以隨意設置。

然而，實際上，這並不是那麼簡單：因為鏈具有所需的電子特性，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。「這是基於複雜的跨學科研究，」Empa研究員Gr?ning說。「來自Dübendorf，Mainz，Dresden和Troy（美國）不同學科的研究人員共同合作 - 從理論上的理解和如何構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構進行結構和電子分析掃描隧道顯微鏡。「

探索量子領域

超小晶體管 - 這是電子電路進一步小型化的下一步 - 在這裡顯而易見的應用可能性：雖然它們在技術上具有挑戰性，但基於納米晶體管的電子設備實際上與當今的微電子技術基本相同。由Empa研究人員生產的半導體納米帶將允許晶體管的通道橫截面比現在通常製造的小1000倍。然而，還可以想像進一步的可能性，例如在自旋電子學或甚至量子信息學領域。

這是因為不同寬度的石墨烯納米帶的結處的電子量子態也可以攜帶磁矩。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 - 在比喻意義上來說，是國家的「旋轉方向」。而且發展甚至可以更進一步。「我們觀察到拓撲末端狀態出現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 - 量子計算機中複雜的互鎖狀態，」OliverGr?ning解釋說。

然而，今天和明天，沒有量子計算機是由納米帶構建的 - 仍然需要進行大量研究，Gr?ning說：「通過各個量子態的有針對性組合靈活調整電子特性的可能性代表了我們的一次重大飛躍。用於生產超小型晶體管的新材料。「 這些材料在環境條件下穩定的事實在未來應用的發展中起著重要作用。「鏈條創造局部量子態並以有針對性的方式將它們連接在一起的進一步發展潛力也令人著迷，」Gr?ning繼續說道。「然而，這種潛力是否真的可以用於未來的量子計算機還有待觀察。

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