当石墨烯纳米带中含有不同的宽度时，在过渡区会创造出非常强大的新量子态。图片来源：Empa(瑞士国家联邦实验室)

      由单元素原子组成的物质，原子排列方式不同，性质也完全不同——这听起来可能有些奇怪，但实际上这些都是通过石墨烯纳米带实现的。这些带状物只有几个碳原子宽，而且仅仅有一个原子厚，根据它们的形状和宽度，有着非常不同的电子属性：如导体、半导体或绝缘体。一个由Empa领导的国际研究团队。

      目前，实验室已经可以精确地调整纳米带的属性，进而具体地改变了它们的形状。这项技术的特点是，不仅可以改变上面提到的“通常”的电子属性，还可以用来生成“局部特定”的量子态。

      这背后意味着什么呢？如果一个狭窄的石墨烯纳米带的宽度发生了变化，例如：从7个原子变到9个原子，在转换过程中会产生一个特殊的区域：由于在特殊区域这两个部分电子性质不同，即所谓的拓扑方式，并且是“受保护的”，因此，在过渡区域会产生了非常强大的新量子态。这种本身的电子量子态可以用于定制半导体、金属或绝缘体的基本组件，甚至可能作为量子计算机的一个组件。

      在Oliver Gröning的领导下，Empa的研究人员已经证明，如果这些带状物是由不同的宽度规则交替组成时，就可以在过渡区创造出了一系列相互关联的量子态。令人兴奋的是，这条链的电子属性会根据不同的宽度而变化。这使得它们可以很好地进行调整——例如：从导体到不同带宽的半导体。并且这个原则可以应用于许多不同类型的过渡带——例如，从7个原子到9个原子的。

      Gröning说：“加州大学伯克利分校的一个研究小组得出了与我们相似的结果，这一事实也突显了这一发展的重要性。”美国研究小组的成果已经发表在Nature杂志上。

纳米电子学的探索之路

      基于这些新的量子链，精确的纳米晶体管可以用于未来制造——这是纳米电子学的一个基本步骤。纳米晶体管的“1”和 “0”之间的切换距离是否足够大，取决于半导体的带隙，有了这种新方法后，可以随意设置。

      然而，在现实中，这并不是那么简单：对于链来说，拥有所需的电子属性，每一条链上的几百原子甚至数千个原子都必须在正确的位置。Empa的研究员Gröning说：“这是非常复杂的跨学科研究。来自Dübendorf的研究员Mainz、Dresden以及来自美国的Troy等不同学科的研究人员合作——就理论和前体分子如何构建等具体知识进行了深入理解，研究了表面是如何选择性地生长成结构，并利用扫描电镜进行了电子分析。

进入量子领域

      超微型晶体管——因此，电子电路进一步小型化的下一步是应用的可能性：尽管它们在技术上具有挑战性，但实际上基于纳米晶体管的电子器件与今天的微电子学原理基本相同。由Empa研究人员生产的半导体纳米管，将比现在制造的晶体管小1000倍。然而，也可以想象出更多的可能性，例如在自旋电子学领域，甚至是量子信息学领域。

      这是因为在不同宽度的石墨烯纳米带连接处的电子量子态也可以携带一个磁矩。这可能使处理信息的过程不再像以前那样，而是通过所谓的自旋——比喻来说，就是该链的“旋转方向”。这一发展甚至可以更进一步。Oliver Gröning 解释道：“我们已经观察到，拓扑结构终止发生在某些量子链的末端。这就提供了一种可能性，即把它们作为量子计算机中复杂的、锁闭的部分。”

      然而，目前为止，还没有由纳米带制造的量子计算机，因此还需要进行更多的研究，Gröning说：“通过单个目标量子态的组合，灵活地调整电子属性，代表着我们在制造超小型晶体管的新材料方面的一个重大飞跃。” Gröning继续解释道：“然而，这种潜力是否真的可以用于未来的量子计算机还有待观察。在纳米带中创建局部拓扑结构是远远不够的——这些结构还必须与其他材料相结合，比如超导体，这样就可以满足量子位的条件。”