電子是微小的物體，可以在材料之間和設(shè)備之間傳輸電力和信息。它們通常被形象化為離散的球體，要么在電路中移動(dòng)，要么連接到原子上。雖然這個(gè)經(jīng)典模型適用于許多場(chǎng)景，但量子力學(xué)描繪了一幅截然不同的電子本質(zhì)圖景，涉及波、云和大量數(shù)學(xué)。
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隨著科學(xué)家們對(duì)量子力學(xué)有了更多的了解，他們正在超越我們目前的方法來設(shè)計(jì)具有獨(dú)特電子特性的材料，使他們能夠以全新的方式存儲(chǔ)和操縱信息。
美國(guó)能源部 (DOE) 阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們創(chuàng)建了一個(gè)新的試驗(yàn)臺(tái)，用于探索電子在稱為拓?fù)浣^緣體的特殊材料類別中的行為，這種材料可以應(yīng)用于量子計(jì)算。
拓?fù)鋵W(xué)——關(guān)于形狀性質(zhì)的數(shù)學(xué)領(lǐng)域——提供了對(duì)材料物理學(xué)的獨(dú)特見解。拓?fù)浣^緣體表面的電子可以以允許它們幾乎沒有阻力地流動(dòng)的狀態(tài)存在。這些狀態(tài)還可以保護(hù)系統(tǒng)免受外部噪聲或影響，這是新興量子信息技術(shù)面臨的主要挑戰(zhàn)。
科學(xué)家們正在探索像這些拓?fù)錉顟B(tài)這樣的量子力學(xué)現(xiàn)象的力量，以更快、更安全和更節(jié)能地存儲(chǔ)和傳遞信息。
“我們能夠在我們的試驗(yàn)臺(tái)上控制拓?fù)錉顟B(tài)的出現(xiàn)，”該論文的第一作者、阿貢理論物理學(xué)家 Pierre Darancet 說。“我們的工作代表了朝著利用拓?fù)洮F(xiàn)象進(jìn)行量子計(jì)算邁出的一步。”
我不敢相信這不是石墨烯！
超強(qiáng)和優(yōu)良的電子導(dǎo)體，材料石墨烯是一個(gè)原子厚的碳原子片，具有許多可能的應(yīng)用。在之前的工作中，石墨烯納米帶——石墨烯的小條——被證明表現(xiàn)出有前途的拓?fù)錉顟B(tài)。受此啟發(fā)，阿貢團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了一個(gè)具有原子精度的人造石墨烯試驗(yàn)臺(tái)，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可以讓我們更精確地控制系統(tǒng)。” “讓實(shí)驗(yàn)者逐個(gè)原子地構(gòu)建原子樂高積木是理論家的夢(mèng)想，它允許對(duì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行更多的操作和探索。”
該團(tuán)隊(duì)在美國(guó)能源部科學(xué)辦公室用戶設(shè)施阿貢納米材料中心使用掃描隧道顯微鏡 (STM) 將單個(gè)一氧化碳 (CO) 分子非常精確地放置在銅表面上，從而構(gòu)建了人造石墨烯納米帶。
科學(xué)家通常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 STM 來創(chuàng)建和研究材料。他們還開發(fā)了計(jì)算機(jī)算法來實(shí)現(xiàn)施工自動(dòng)化，使他們能夠遠(yuǎn)程操作 STM。“我會(huì)醒來，喝杯咖啡，然后開始玩 30 英里外的顯微鏡，”Dan Trainer 說，他作為阿貢大學(xué)的博士后任命領(lǐng)導(dǎo)了這項(xiàng)工作的 STM 部分。
使用顯微鏡的原始尖端，Trainer 和團(tuán)隊(duì)將 CO 分子一個(gè)接一個(gè)地定位在銅表面上，其方式限制了它們的電子，以模擬真實(shí)石墨烯納米帶中碳原子單獨(dú)呈現(xiàn)的蜂窩結(jié)構(gòu)。
由此產(chǎn)生的人造納米帶確實(shí)顯示出研究人員預(yù)測(cè)會(huì)出現(xiàn)在真實(shí)事物中的相同電子和拓?fù)涮匦浴?br />
實(shí)現(xiàn)拓?fù)錉顟B(tài)
在當(dāng)前的電子技術(shù)中，信息用 1 和 0 表示，對(duì)應(yīng)于電路中電子流動(dòng)的存在或不存在。當(dāng)一種材料存在于本研究中所證明的拓?fù)錉顟B(tài)時(shí)，其表面上的電子可以更好地描述為一種量子力學(xué)蜂巢思維，在材料上顯示出波型。
人們可以將金屬表面上的電子想象成池塘中的波浪，池塘中的水將自身組織成一系列在湖邊跳動(dòng)的振動(dòng)，而不僅僅是不相關(guān)的 H2O 分子組成的湯。拓?fù)鋺B(tài)是從表面上單個(gè)電子之間的復(fù)雜相互作用中產(chǎn)生的流氓波。
該實(shí)驗(yàn)的一個(gè)主要挑戰(zhàn)是找到將系統(tǒng)的電子鎖定在與石墨烯電子等效的物質(zhì)中所需的 CO 分子的最佳間距。當(dāng)科學(xué)家們?cè)谒麄兊脑囼?yàn)臺(tái)上實(shí)現(xiàn)這種精確配置時(shí)，拓?fù)洳ǔ霈F(xiàn)在銅表面。就像北極的北極光一樣，當(dāng)條件恰到好處時(shí)，普通的粒子系統(tǒng)會(huì)變成壯觀的電磁場(chǎng)。
“實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如此完美地符合理論預(yù)測(cè)是非常罕見的，”Trainer 說。“真是太棒了。”
該研究結(jié)果發(fā)表在 《ACS Nano》期刊上，原文：“Artificial Graphene Nanoribbons: A Test Bed for Topology and Low-Dimensional Dirac Physics”。
