Nature：具有适当“拓扑”的纳米带可在量子计算中作为纳米级电子陷阱

一幅拓扑纳米带超晶格扫描隧道显微镜图像。电子被困在宽带段（平凡拓扑）和窄带段（非平凡拓扑）的界面处。宽的段横跨9个碳原子（1.65纳米），而窄的段仅横跨7个碳原子（1.40纳米）。图片来源：Michael Crommie，Felix Fischer，加州大学伯克利分校

      科学家们正在试验一种名为纳米带的窄带石墨烯，希望可以用它制造新的电子设备。但是加利福尼亚大学，伯克利分校的科学家们发现了其另一种可能的作用：在量子计算机中，它作为纳米级电子陷阱具有潜在应用。

      石墨烯，碳原子片刚性排列，类似于鸡丝的蜂窝点阵，其本身具有有趣的电子特性。但是当科学家们切断宽度小于5纳米的条带时——比人类头发宽度的一万分之一还小——石墨烯纳米带具有了新的量子特性，这也使其成为了硅半导体的潜在替代物。

      加州大学伯克利分校理论家，物理学教授Steven Louie在去年预测到加入两种不同类型的纳米带可以产生一种独特的材料，即一种在带状片段之间结合处的固定单电子。

      然而，为了实现这一点，两个纳米带的电子“拓扑”必须是不同的。这里的拓扑是指当电子通过纳米带移动量子态时，传播电子态的形状。直到Louie预测时，它仍是在石墨烯纳米带中被忽略的一个细微的特性。

      Louie的两位同事，化学家Felix Fischer和物理学家Michael Crommie因为他的想法而变得兴奋起来，他们想俘获电子在纳米带中的潜在应用，并准备一起合作来测试Louie的预测。他们一起实验证明，具有适当拓扑的纳米带结被单个局域电子占据。

      根据Louie的方法制作的纳米带，具有不同宽度的交替带状条带，形成了纳米带超晶格，产生了电子量子力学的康格线。根据不同的条带，新的杂化纳米带要么是金属、半导体，要么是量子位链——量子计算机的基本元素。

      “这为我们控制石墨烯纳米带的电子和磁性提供了一种新的途径。” 加州大学伯克利物理学教授Crommie说：“我们花了多年的时间，用更为传统的方法来改变纳米带的性质。但是研究它们的拓扑结构为我们提供了一个强大的新方法来改变我们以前从未怀疑过的纳米带的基本性质。”

      Louie的理论意味着纳米带是拓扑绝缘体：绝缘体是种不寻常的材料，也就是说在内部不导电，但金属导体沿着其表面。2016届诺贝尔物理学奖授予三位科学家，他们首次使用拓扑的数学原理来解释奇怪的物质的量子态，现在被归类为拓扑材料。

      三维拓扑绝缘体沿侧面传导电，二维拓扑绝缘体片沿边缘导电，这些新的一维纳米带拓扑绝缘体在其边缘具有相当于零维（0D）的金属，另外在带状结处的单个0D电子被限制在所有方向上，不能移动到任何地方。如果另一个电子同样被困在附近，那么两个电子可以沿着纳米带隧道，并通过量子力学的规则相遇。而相邻电子的自旋，如果间隔恰到好处，就应该纠缠在一起，这样调整一个就可以影响其他，这是量子计算机必不可少的特征。

      混合纳米带的合成是一项艰难的壮举，加州大学伯克利分校的化学教授Fischer说。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。

      “这里有一个非常简单的方法，用一种非常常见的材料来创建拓扑状态。” Fischer说：“这就是有机化学。合成并不是微不足道的，当然，我们可以做到。这是一个突破，我们现在可以开始思考如何使用这个来实现新的、前所未有的电子结构。”

      研究人员将在8月9日出版的《自然》杂志上报道他们的合成、理论和分析。Louie ，Fischer和Crommie也是劳伦斯伯克利国家实验室的教师科学家。

编织纳米带

      专门研究非寻常物质的量子理论的Louie，从超导体到纳米结构，撰写了一篇2017页的论文，描述了如何利用纳米带为一维绝缘体的理论发现去制备石墨烯纳米带结。他的方法需要采用所谓的拓扑琐碎的纳米带，并将它们与非平凡拓扑纳米带配对，其中Louie解释了如何通过观察带中电子所采用的量子力学状态的形状来分辨两者之间的差异。

      专门研究合成和表征不寻常纳米分子的Fischer发现了一种新的方法来制造原子精确纳米带结构，这些结构将根据蒽的复杂碳化合物表现出这些性质。

      并肩合作，Fischer和Crommie的研究团队在真空室内加热的金催化剂上构建了纳米带。Crommie的团队使用扫描隧道显微镜来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在50到100个结之间，每个都被一个单独的电子所占据，能够与它的邻居进行量子机械地相互作用。

      “当你加热砌块时，你会得到一个拼接在一起的分子编织成的美丽的纳米带。” Crommie说：“但是由于不同的分子可以具有不同的结构，纳米带可以被设计的具有有趣的新特性。”

      Fischer说每个纳米带的长度可以改变，以此改变俘获电子之间的距离，从而改变量子力学间的相互作用。当其紧密结合时，电子强烈地相互作用，分裂成两个量子态（键合和反键合），其性质可以被控制，从而允许制造新的1D金属和绝缘体。然而，当被捕获的电子稍微分离时，它们的作用就像小的量子磁体（自旋），它们可以纠缠在一起，这是量子计算的理想选择。

      “这为我们提供了一个全新的系统，它减轻了未来量子计算机所期望的一些问题，例如如何容易地大规模制造具有工程牵连的，并且可以以简单的方式被结合到电子设备中高精度量子点。” Fischer说。

原文来自：phys.org，原文题目：'Topological' graphene nanoribbons trap electrons for new quantum materials，由材料科技在线团队翻译整理。