墨烯是一种具有奇特电学性能的材料。当石墨烯被制成石墨烯纳米带(宽度约5纳米)时,它会具有新的量子特性,成为硅半导体的潜在替代品。因此,科学家们尝试将石墨烯纳米带用于制造炫酷的电子设备,但它的用途远不止于此。据《自然》(Nature)杂志近日出版的论文称,美国加州大学伯克利分校(UniversityofCalifornia,Berkeley,简称UCB)的研究人员发现,石墨烯纳米带可以作为纳米级电子陷阱,在量子计算领域有良好的应用前景。

拓扑石墨烯纳米带捕获电子,可用于量子计算-量子客

UCB物理学家史蒂夫·路易(StevenLouie)曾预测说,将两种不同类型(拓扑不同)的纳米带结合在一起,可制造出一种独特的新材料。这种材料可以在带段之间的节点处“固定”单个电子。路易的两位同事,化学家菲利克斯·费舍尔(FelixFischer)和物理学家迈克尔·克隆米(MichaelCrommie)对此很感兴趣,决定携手用实验验证路易的预测。两位科学家用不同宽度的带材,制成了具有超晶格的纳米带。克隆米认为,这为控制石墨烯纳米带的电、磁特性提供了新思路。

路易的理论认为,纳米带是拓扑绝缘体:即内部不导电,但沿表面有金属导体。因此,位于节点的零维电子会在各个方向上受限,无法移动。然而,如果附近有另一个电子也被同样“困住”,那么这两个电子就能沿着纳米带隧道,通过量子力学的规则相遇。如果相邻电子的自旋条件符合量子纠缠要求,其中一个电子就会对另一个电子产生影响,这也是量子计算机的基本特性。

混合纳米带的制造是一项艰巨的任务。费舍尔说:“虽然理论上可以预测出很多拓扑结构,但在现实中却不一定能实现。现在,我们采用简单的方法制得了混合纳米带。这为获取新的电子结构奠定了基础。”通过协作,菲舍尔和克隆米等在真空室加热的金催化剂上构筑了纳米带并确认了纳米带的电子结构。它与路易的理论和计算完全符合。费舍尔等制造的混合纳米带有50~100个节点,每个节点上均有一个电子可以与相邻的电子进行量子力学作用。通过调节混合纳米带的段间长度,可以改变“固定”电子之间的距离,从而改变它们的量子力学作用方式。当电子靠得很近时,它们之间会发生强烈的相互作用,并分裂成两个量子态(结合态和反结合态)。通过控制量子态的性质,可以制造出新的一维金属和绝缘体。而当“固定”电子之间的距离较大时,它们又变得像小型的量子磁体,可以产生量子纠缠,成为量子计算的理想选择。

菲舍尔说:“我们的成果为研究人员提供了一个全新的系统,这或许可以减少未来量子计算机的问题。例如,如何通过工程缠绕批量生产高精度量子点,并以简便的方式整合到电子设备中。”