用納米帶束縛電子

科學家們正在嘗試使用窄帶石墨烯(稱為納米帶)，以期制造出酷炫的新型電子設備，但加州大學伯克利分校的科學家們已經發現了另一種可能的作用：納米級電子陷阱在量子計算機中的潛在應用。

石墨烯是一種碳原子，排列在類似雞絲的剛性蜂窩狀晶格中，具有自己有趣的電子特性。但是當科學家切斷寬度小于約5納米的條帶 - 不到人類頭發寬度的萬分之一時 - 石墨烯納米帶具有新的量子特性，使其成為硅半導體的潛在替代品。

加州大學伯克利分校理論學家物理學教授史蒂文·路易(Steven Louie)去年曾預測，加入兩種不同類型的納米帶會產生一種獨特的材料，即在帶狀區段之間的連接處固定單個電子。

然而，為了實現這一點，兩個納米帶部件的電子“拓撲結構”必須是不同的。這里的拓撲是指電子態通過納米帶移動量子時傳導電子態所采用的形狀，納米帶在石墨烯納米帶中被忽略，直到路易的預測。

Louie的兩位同事，化學家Felix Fischer和物理學家Michael Crommie對他的想法和在納米帶中捕獲電子的潛在應用感到興奮，并聯合起來測試預測。他們一起能夠通過實驗證明具有適當拓撲結構的納米帶的結被單個局部電子占據。

根據Louie的配方制作的納米帶，具有不同寬度的交替帶狀條帶，形成納米帶超晶格，產生一種能夠量子力學相互作用的康加系列電子。根據條帶的距離，新的混合納米帶可以是金屬，半導體或量子比特鏈，也是量子計算機的基本元素。

“這為我們提供了一種控制石墨烯納米帶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。“我們花了數年時間使用更傳統的方法改變納米帶的性質，但是使用它們的拓撲結構為我們提供了一種強有力的新方法來改變我們從未懷疑過的納米帶的基本特性。”

路易的理論暗示納米帶是拓撲絕緣體：不常見的材料是絕緣體，即內部不導電，但沿其表面是金屬導體。2016年諾貝爾物理學獎授予了三位科學家，他們首先使用拓撲學的數學原理來解釋奇異的物質量子態，現在被歸類為拓撲物質。

三維拓撲絕緣體沿其兩側導電，二維拓撲絕緣體沿其邊緣導電，這些新的一維納米帶拓撲絕緣體邊緣具有等效的零維(0D)金屬，需要注意單個帶狀結處的0D電子被限制在所有方向上并且不能在任何地方移動。然而，如果另一個電子被類似地困在附近，那么這兩個電子可以沿著納米帶通過并通過量子力學的規則相遇。相鄰電子的旋轉，如果間隔恰到好處，應該糾纏在一起，以便調整一個影響其他電子，這是量子計算機必不可少的特征。

加州大學伯克利分校的化學教授菲舍爾說，雜化納米帶的合成是一項艱巨的任務。雖然理論家可以預測許多拓撲絕緣體的結構，但這并不意味著它們可以在現實世界中合成。

“在這里你有一個非常簡單的方法，用于如何在一種非常容易獲得的材料中創建拓撲狀態，”Fischer說。“這只是有機化學。合成并不是微不足道的，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8月9日出版的“ 自然 ”雜志上報告他們的綜合，理論和分析。Louie，Fischer和Crommie也是勞倫斯伯克利國家實驗室的教員科學家。

一起編織納米帶

Louie專注于從超導體到納米結構的不尋常形式物質的量子理論，撰寫了一篇2017年論文，描述了如何利用理論發現納米帶是一維拓撲絕緣體的石墨烯納米帶結。他的配方需要采用所謂的拓撲瑣碎的納米帶并將它們與拓撲上非平凡的納米帶配對，其中Louie通過觀察帶中電子所采用的量子力學狀態的形狀來解釋如何區分兩者。

Fischer專門研究合成和表征不尋常的納米分子，他們發現了一種制造原子級精確納米帶結構的新方法，這種結構可以從基于蒽的復雜碳化合物中獲得這些特性。

Fischer和Crommie的研究團隊并肩工作，然后在真空室內加熱的金催化劑上構建納米帶，Crommie團隊使用掃描隧道顯微鏡確認納米帶的電子結構。它完全符合路易的理論和計算。他們制造的混合納米帶具有50到100個結，每個結被單個電子占據，能夠與其鄰居進行量子機械相互作用。

“當你加熱積木時，你會得到一塊拼湊的分子被編織在一起，成為這個美麗的納米帶，”Crommie說。“但是因為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。”

菲舍爾說，每個納米帶的長度可以改變，以改變被困電子之間的距離，從而改變它們在量子力學上的相互作用。當靠近在一起時，電子強烈地相互作用并分裂成兩個量子態(鍵合和反鍵合)，其性質可以被控制，允許制造新的一維金屬和絕緣體。然而，當被捕獲的電子稍微分離時，它們就像小的量子磁體(自旋)一樣，可以被糾纏，是量子計算的理想選擇。

“這為我們提供了一個全新的系統，可以緩解未來量子計算機所面臨的一些問題，例如如何輕松地批量生產具有工程糾纏的高精度量子點，可以直接方式將其整合到電子設備中，”Fischer說過。

該論文的共同主要作者是物理系的Daniel Rizzo和Ting Cao以及化學系的Gregory Veber，以及他們的同事Christopher Bronner，Ting Chen，Fangzhou Zhao和Henry Rodriguez。Fischer和Crommie都是加州大學伯克利分校和伯克利實驗室Kavli能源納米科學研究所的成員。