11月29日，美國科學(xué)家建立了一個原子級精度的測試平臺，能以全新的方式操縱電子，在量子計算中有著巨大潛力。電子是微觀粒子，可以在材料和設(shè)備之間攜帶電量和信息。它們通?？梢暈殡x散的小球，在電路中或原子周圍移動。雖然這個經(jīng)典模型適用于許多場景，但量子力學(xué)描繪了一幅完全不同的電子本質(zhì)圖景，涉及波、云和大量數(shù)學(xué)。

隨著科學(xué)家對量子力學(xué)有了更多了解，他們正以全新的方法設(shè)計具有獨(dú)特電子特性的材料，使他們能以全新的方式存儲和操縱信息。

美國能源部（DOE）下屬的阿貢國家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家創(chuàng)建了一個新的測試平臺，可用于探索一種特殊材料中的電子行為。這種材料被稱為拓?fù)浣^緣體，可應(yīng)用在量子計算中。

拓?fù)鋵W(xué)是一個關(guān)于形狀本質(zhì)的數(shù)學(xué)分支，在材料物理學(xué)領(lǐng)域有著獨(dú)特的應(yīng)用。在拓?fù)浣^緣體表面上，電子可以在近乎沒有電阻的情況下運(yùn)動，以保護(hù)系統(tǒng)免受外部噪聲或其它影響，解決量子信息技術(shù)目前面臨的主要問題?？茖W(xué)家們探索拓?fù)鋺B(tài)這樣的量子力學(xué)現(xiàn)象，希望未來以更快的速度、更高的安全性和更好的能源效率來存儲和交流信息。

相關(guān)論文的第一作者，阿貢國家實(shí)驗(yàn)室的理論物理學(xué)家Pierre Darancet說：“我們能夠控制測試臺中拓?fù)錉顟B(tài)的外觀，就是邁出了利用量子計算拓?fù)洮F(xiàn)象的第一步?！?/p>

毫無疑問，這是石墨烯！

石墨烯材料是電子的優(yōu)良導(dǎo)體，它是一種單原子厚的碳原子片，具有許多潛在的應(yīng)用。在以前的工作中，石墨烯納米帶，即石墨烯的小條帶，被證明有希望表現(xiàn)出拓?fù)鋺B(tài)。受此啟發(fā)，阿貢實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊構(gòu)建了一個具有原子級精度的人造石墨烯測試臺，希望進(jìn)一步探索這些拓?fù)湫?yīng)。

Darancet說：“與合成實(shí)際的納米帶相比，制造人造石墨烯納米帶使我們能夠更精確地控制系統(tǒng)，即使這可能會有些混亂，但理論科學(xué)家的夢想是：能讓實(shí)驗(yàn)科學(xué)家像玩樂高積木一樣，一個原子一個原子地建造相關(guān)材料，從而對其拓?fù)涮匦赃M(jìn)行更深的探索。

通過使用美國能源部阿貢納米材料中心的掃描隧道顯微鏡（STM），該團(tuán)隊將逐個一氧化碳分子非常精確地放置在銅表面，來構(gòu)建人造石墨烯納米帶。

通?？茖W(xué)家使用顯微鏡來收集有關(guān)材料的信息。在這項(xiàng)研究中，他們使用掃描隧道顯微鏡來創(chuàng)建和研究材料。他們甚至還開發(fā)了計算機(jī)算法來自動化施工，使他們能遠(yuǎn)程操作掃描隧道顯微鏡。“我會在早晨醒來后，一邊喝著咖啡，一邊玩30英里外的顯微鏡，” 阿貢實(shí)驗(yàn)室的博士后Dan Trainer說，他領(lǐng)導(dǎo)了掃描隧道顯微鏡這個部分的工作。

利用顯微鏡的尖端，Trainer和團(tuán)隊將一氧化碳分子一個接一個地定位在銅表面上，以限制其電子運(yùn)動的方式模擬碳原子在真正的石墨烯納米帶中單獨(dú)表現(xiàn)出的蜂窩結(jié)構(gòu)。研究人員預(yù)測：由此產(chǎn)生的人造納米帶確實(shí)顯示出相同的電子和拓?fù)涮匦浴?/p>

實(shí)現(xiàn)拓?fù)鋺B(tài)

在當(dāng)前的電子技術(shù)中，信息用1和0表示，對應(yīng)于電路中是否存在流動的電子。當(dāng)一種材料以上述拓?fù)錉顟B(tài)存在時，其表面的電子被更好地描述為一種量子力學(xué)蜂巢思維，在材料上顯示波型。

可以將金屬表面上的電子想象成池塘中的波浪——水分子在湖的表面上以一系列振動的形式關(guān)聯(lián)，而不僅僅是一大鍋相互無關(guān)的水分子湯。同樣，拓?fù)鋺B(tài)是材料表面上各個電子之間的復(fù)雜相互作用而產(chǎn)生的雜亂的波。

該實(shí)驗(yàn)的主要挑戰(zhàn)是找到將電子鎖定在石墨烯的一氧化碳分子之間的最佳間距上。當(dāng)科學(xué)家們在測試臺上實(shí)現(xiàn)這種精確的配置時，拓?fù)洳ńK于出現(xiàn)在銅表面上。就像北極光一樣，當(dāng)條件恰到好處時，普通的粒子系統(tǒng)變成了壯觀的電磁顯示器。

Trainer說：“實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如此完美地匹配理論預(yù)測非常罕見，真是太震撼了！”

此次研究結(jié)果發(fā)表在ACS Nano的一篇論文中：《人造石墨烯納米帶：拓?fù)鋵W(xué)和低維狄拉克物理學(xué)的試驗(yàn)臺》。

編譯：卉可

編輯：慕一