石墨烯納米帶中的量子鏈

石墨烯納米帶中的量子鏈

由單個元素的原子組成的材料具有完全不同的性質(zhì)，這取決于原子的排列，這聽起來可能很奇怪，但實(shí)際上是石墨烯納米帶的真實(shí)情況。這些帶只有幾個碳原子寬，只有一個原子厚，并且根據(jù)它們的形狀，具有非常不同的電子性質(zhì)。Nd寬度：導(dǎo)體、半導(dǎo)體或絕緣體。由EMPA納米技術(shù)@Surface領(lǐng)導(dǎo)的國際研究團(tuán)隊(duì)。

實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)成功地通過專門改變色帶的形狀來精確地調(diào)整色帶的特性。這種技術(shù)的特點(diǎn)是它不僅可以改變上述常見的電子特性，還可以用來產(chǎn)生特定的局域量子態(tài)。

這背后是什么在這種情況下，如果窄石墨烯納米帶的寬度從7個原子變?yōu)?個原子，則在過渡區(qū)會產(chǎn)生一個特殊的區(qū)域：由于兩個區(qū)域的電子性質(zhì)以一種特殊的，所謂的拓?fù)浞绞讲煌谶^渡區(qū)會產(chǎn)生一個非常強(qiáng)大的新量子態(tài)。這種局域電子現(xiàn)在，nic量子態(tài)可以用作生產(chǎn)定制半導(dǎo)體、金屬或絕緣體的基本元件，甚至可以用作量子計(jì)算機(jī)中的元件。

由Oliver Grning領(lǐng)導(dǎo)的EMPA研究人員可以證明，如果這些條帶是由不同寬度的規(guī)則交替區(qū)域構(gòu)成的，那么可以通過多次躍遷產(chǎn)生一系列相互連接的量子態(tài)及其自身的電子結(jié)構(gòu)。令人興奮的是，鏈的電子性質(zhì)因根據(jù)不同部分的寬度，可以對它們進(jìn)行微調(diào)——從導(dǎo)體到具有不同帶隙的半導(dǎo)體。這個原理可以應(yīng)用于許多不同類型的過渡區(qū)，例如從7到11個原子。

格倫寧說，加州大學(xué)伯克利分校的一個獨(dú)立于我們的研究小組得出了類似的結(jié)果，這也突顯了這一發(fā)展的重要性。美國研究小組的工作已經(jīng)發(fā)表在《自然》雜志的同一期上。

基于這些新的量子鏈，未來可以制造出精確的納米晶體管——納米電子學(xué)的一個重要步驟。納米晶體管的狀態(tài)1和狀態(tài)0之間的切換距離實(shí)際上足夠大，這取決于半導(dǎo)體的帶隙——并且使用新的方法，幾乎可以隨意設(shè)置。

然而，事實(shí)上，這并不是那么簡單：因?yàn)殒溇哂兴璧碾娮有再|(zhì)，數(shù)百個甚至數(shù)千個原子都必須處于正確的位置。EMPA研究人員Grning說，這是基于復(fù)雜的跨學(xué)科研究。來自不同學(xué)科的研究人員，如dbendorf、mainz、dresden和troy（美國），一起工作。從理論上理解如何構(gòu)建前體分子的特定知識，以及如何有選擇地在表面生長結(jié)構(gòu)到結(jié)構(gòu)，以及電子分析掃描隧道顯微鏡。

超小型晶體管是電子電路進(jìn)一步小型化的下一步，在這里有著明顯的應(yīng)用可能性：盡管它們在技術(shù)上具有挑戰(zhàn)性，但基于納米晶體管的電子器件實(shí)際上與當(dāng)今的微電子技術(shù)是相同的。EMPA研究人員生產(chǎn)的半導(dǎo)體納米帶我允許晶體管的溝道截面比現(xiàn)在通常制造的溝道截面小1000倍。然而，也可以設(shè)想進(jìn)一步的可能性，例如在自旋電子學(xué)甚至量子信息學(xué)領(lǐng)域。

這是因?yàn)椴煌瑢挾鹊氖┘{米帶連接處的電子量子態(tài)也可以攜帶磁矩。這使得不按照以前的慣例處理信息成為可能，但通過所謂的旋轉(zhuǎn)——隱喻地說，是一個國家旋轉(zhuǎn)的方向。發(fā)展可以進(jìn)一步說，我們觀察到拓?fù)浣Y(jié)束態(tài)出現(xiàn)在一些量子鏈的末端，這就提供了將它們作為所謂的量子位元素使用的可能性——量子計(jì)算機(jī)中的復(fù)雜互鎖態(tài)，奧利弗·格寧解釋說。

然而，現(xiàn)在和明天，沒有一臺量子計(jì)算機(jī)是由納米帶制造的——仍然需要大量的研究，Grning說。通過單個量子態(tài)的目標(biāo)組合靈活調(diào)整電子特性的可能性是超小型晶體管新材料生產(chǎn)的一個重大飛躍。這些材料在環(huán)境條件下是穩(wěn)定的這一事實(shí)對未來應(yīng)用的發(fā)展具有重要作用。Grning繼續(xù)說，原子鏈創(chuàng)造局域量子態(tài)并以有針對性的方式將它們連接起來的潛力也很吸引人。然而，這一潛力是否真的能在未來的量子計(jì)算機(jī)中使用仍有待觀察。

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