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，要么連接到原子上。雖然這個經(jīng)典模型適用于許多場景，但量子力學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。
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隨著科學家們對量子力學有了更多的了解，他們正在超越我們目前的方法來設(shè)計具有獨特電子特性的材料，使他們能夠以全新的方式存儲和操縱信息。
美國能源部 (DOE) 阿貢國家實驗室的科學家們創(chuàng)建了一個新的試驗臺，用于探索電子在稱為拓撲絕緣體的特殊材料類別中的行為，這種材料可以應(yīng)用于量子計算。
拓撲學——關(guān)于形狀性質(zhì)的數(shù)學領(lǐng)域——提供了對材料物理學的獨特見解。拓撲絕緣體表面的電子可以以允許它們幾乎沒有阻力地流動的狀態(tài)存在。這些狀態(tài)還可以保護系統(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)。
科學家們正在探索像這些拓撲狀態(tài)這樣的量子力學現(xiàn)象的力量，以更快、更安全和更節(jié)能地存儲和傳遞信息。
“我們能夠在我們的試驗臺上控制拓撲狀態(tài)的出現(xiàn)，”該論文的第一作者、阿貢理論物理學家 Pierre Darancet 說。“我們的工作代表了朝著利用拓撲現(xiàn)象進行量子計算邁出的一步。”
我不敢相信這不是石墨烯！
超強和優(yōu)良的電子導體，材料石墨烯是一個原子厚的碳原子片，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)出有前途的拓撲狀態(tài)。受此啟發(fā)，阿貢團隊構(gòu)建了一個具有原子精度的人造石墨烯試驗臺，希望進一步探索這些拓撲效應(yīng)。
Darancet 說：“與合成實際的納米帶相比，制造人造石墨烯納米帶可以讓我們更精確地控制系統(tǒng)。” “讓實驗者逐個原子地構(gòu)建原子樂高積木是理論家的夢想，它允許對拓撲結(jié)構(gòu)進行更多的操作和探索。”
該團隊在美國能源部科學辦公室用戶設(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。
科學家通常使用顯微鏡來收集有關(guān)材料的信息。在這項研究中，他們使用 STM 來創(chuàng)建和研究材料。他們還開發(fā)了計算機算法來實現(xiàn)施工自動化，使他們能夠遠程操作 STM。“我會醒來，喝杯咖啡，然后開始玩 30 英里外的顯微鏡，”Dan Trainer 說，他作為阿貢大學的博士后任命領(lǐng)導了這項工作的 STM 部分。
使用顯微鏡的原始尖端，Trainer 和團隊將 CO 分子一個接一個地定位在銅表面上，其方式限制了它們的電子，以模擬真實石墨烯納米帶中碳原子單獨呈現(xiàn)的蜂窩結(jié)構(gòu)。
由此產(chǎn)生的人造納米帶確實顯示出研究人員預測會出現(xiàn)在真實事物中的相同電子和拓撲特性。
實現(xiàn)拓撲狀態(tài)
在當前的電子技術(shù)中，信息用 1 和 0 表示，對應(yīng)于電路中電子流動的存在或不存在。當一種材料存在于本研究中所證明的拓撲狀態(tài)時，其表面上的電子可以更好地描述為一種量子力學蜂巢思維，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的振動，而不僅僅是不相關(guān)的 H2O 分子組成的湯。拓撲態(tài)是從表面上單個電子之間的復雜相互作用中產(chǎn)生的流氓波。
該實驗的一個主要挑戰(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。當科學家們在他們的試驗臺上實現(xiàn)這種精確配置時，拓撲波出現(xiàn)在銅表面。就像北極的北極光一樣，當條件恰到好處時，普通的粒子系統(tǒng)會變成壯觀的電磁場。
“實驗系統(tǒng)如此完美地符合理論預測是非常罕見的，”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”。
