科学家们正在尝试使用窄带石墨烯(称为纳米带),以期制造出酷炫的新型电子设备,但加州大学伯克利分校的科学家们已经发现了另一种可能的作用:纳米级电子陷阱在量子计算机中的潜在应用。石墨烯是一种碳原子,排列在类似铁丝网坚硬的蜂窝状晶格中,它本身具有有趣的电子特性。但是当科学家切断宽度小于约5纳米的条带 ——不到人类头发宽度的万分之一时——石墨烯纳米带具有新的量子特性,使其成为硅半导体的潜在替代品。加州大学伯克利分校理论学家物理学教授Steven Louie去年曾预测,加入两种不同类型的纳米带会产生一种独特的材料,即在带状区段之间的连接处固定单个电子。然而,为了实现这一点,两个纳米带的电子“拓扑结构”必须是不同的。这里的拓扑是指电子态通过纳米带移动量子时传导电子态所采用的形状,这种存在于石墨烯纳米带中的微妙特性被忽略了,直到Steven Louie的预测。
Steven Louie的两位同事,化学家Felix Fischer和物理学家Michael Crommie对他的想法和在纳米带中捕获电子的潜在应用感到兴奋,并联合起来测试预测。通过实验,他们证明了具有适当拓扑结构的纳米带的连接处被单个局部电子占据。
根据Steven Louie的配方制作的纳米带,具有不同宽度的交替带状条带,形成纳米带超晶格,产生一条康加链的电子(a conga line of electrons),这些电子呈现量子力学的相互作用。根据条带的距离,新的混合纳米带可以是金属、半导体或量子比特链(量子计算机的基本元素)。“这为我们提供了一种控制石墨烯纳米带电子和磁性的新方法,”加州大学伯克利分校物理学教授Crommie说。“我们花了数年时间使用更传统的方法改变纳米带的性质,但使用它们的拓扑结构为我们提供了一种强有力的新方法来改变我们从未怀疑过的纳米带的基本特性。”

使用拓扑数学

Steven Louie的理论暗示纳米带是拓扑绝缘体:不常见的材料是绝缘体,即内部不导电,但沿其表面是金属导体。2016年诺贝尔物理学奖授予了三位科学家,他们首先使用拓扑学的数学原理来解释奇异的物质量子态,现在被归类为拓扑物质。
QC观察丨拓扑石墨烯纳米带为新的量子材料捕获电子-量子客
该扫描隧道显微镜图像显示了由拓扑上非平凡的纳米带(9个碳原子)连接到拓扑平凡的纳米带(7个碳原子)的混合石墨烯纳米带。电子被困在每个连接处。图片来源:加州大学伯克利分校
三维拓扑绝缘体沿其两侧导电,二维拓扑绝缘体沿其边缘导电,这些新的一维纳米带拓扑绝缘体边缘具有等效的零维(0D)金属,需要注意的是带状结处的单个0D电子被限制在所有方向上,并且不能在任何地方移动。但是,如果另一个电子被类似地困在附近,那么这两个电子可以沿着纳米带通过并通过量子力学的规则相遇。相邻电子的旋转,如果间隔恰到好处,应该纠缠在一起,以便调整一个影响其他电子,这是量子计算机必不可少的特征。加州大学伯克利分校的化学教授Fischer说,混合纳米带的合成是一项艰巨的任务。虽然理论家可以预测许多拓扑绝缘体的结构,但这并不意味着它们可以在现实世界中合成。“在这里有一个非常简单的方法,用于如何在一种非常容易获得的材料中创建拓扑状态,”Fischer说。“这只是有机化学。合成并不是微不足道的,但我们可以做到。这是一个突破,我们现在可以开始思考如何利用它来实现新的、前所未有的电子结构。”研究人员将在8月9日出版的《自然》杂志上报告他们的综合,理论和分析。Louie,Fischer和Crommie也是劳伦斯伯克利国家实验室的教员科学家。

一起编织纳米带

Louie专注于从超导体到纳米结构的不寻常形式物质的量子理论,撰写了一篇2017年论文,描述了如何利用理论发现纳米带是一维拓扑绝缘体的石墨烯纳米带连接处。他的配方需要采用所谓的拓扑琐碎的纳米带并将它们与拓扑上非平凡的纳米带配对,其中Louie通过观察带中电子所采用的量子力学状态的形状来解释如何区分两者。Fischer专门研究合成和表征不寻常的纳米分子,他们发现了一种新的方法来制造原子级精确的纳米带结构,这种结构可以表现出基于蒽(anthracene)的复杂碳化合物的这些特性。Fischer和Crommie的研究团队并肩工作,然后在真空室内加热的金催化剂上构建纳米带,Crommie团队使用扫描隧道显微镜确认纳米带的电子结构。它完全符合Louie的理论和计算。他们制造的混合纳米带具有50到100个连接处,每个连接处被单个电子占据,能够与其邻居进行量子力学的相互作用。“当你加热块状时,你会得到一块拼凑的分子被编织在一起,成为这个美丽的纳米带,”Crommie说。“但是因为不同的分子可以有不同的结构,纳米带可以被设计成具有有趣新特性的纳米带。” 
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伯克利化学家Felix Fischer在顶部创造了复杂的分子,这样当它们在金催化剂上加热时,它们将连接在一起,在底部形成石墨烯纳米带,这是一种拓扑绝缘体。图片来源:加州大学伯克利分校
Fischer说,每个纳米带的长度可以改变,以改变被困电子之间的距离,从而改变它们在量子力学上的相互作用。当靠近在一起时,电子强烈地相互作用并分裂成两个量子态(键合和反键合),其性质可以被控制,允许制造新的一维金属和绝缘体。然而,当被捕获的电子稍微分离时,它们就像小的量子磁体(自旋)一样,可以被纠缠,是量子计算的理想选择。
“这为我们提供了一个全新的系统,可以缓解未来量子计算机所面临的一些问题,例如如何轻松地批量生产具有工程纠缠的高精度量子点,可以用直接方式将其整合到电子设备中。”Fischer说。该论文的共同主要作者是物理系的Daniel Rizzo和Ting Cao以及化学系的Gregory Veber,以及他们的同事Christopher Bronner,Ting Chen,Fangzhou Zhao和Henry Rodriguez。Fischer和Crommie都是加州大学伯克利分校和伯克利实验室Kavli能源纳米科学研究所的成员。

本文是《量子计算前沿》基于相关资料原创编译,并整理在量子客(Qtumist.com)上发布。

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