导读
近日，瑞士联邦材料测试与开发研究所、德国马克斯普朗克聚合物研究所的同事们以及其他合作伙伴一起实现了一项关键性突破。未来，它将用于精准的纳米晶体管，甚至用于量子计算机。
背景
石墨烯，是时下颇受各界追捧的新材料之一。它是由单层碳原子构成的蜂窝状结构，是世界上已知的最薄、最轻、最强的材料，被誉为“新材料之王“，对于整个产业的影响将是颠覆性的。目前，石墨烯已应用于许多科技领域，例如：柔性电子、高效晶体管、传感器、新材料、电池、超级电容、半导体制造、新能源、通信、太赫兹技术、医疗等等。
（图片来源：Tatiana Shepeleva/Shutterstock）
石墨烯的导电性能非常好，甚至超过铜。石墨烯中的碳原子排列独特，电子可以轻而易举地高速通过，不容易产生散射，因此不会像其他导体一样浪费许多能量。
然而，石墨烯优异的导电性能，也成为了它的重要局限性：不适合应用于半导体。众所周知，硅是如今最广泛应用的半导体材料，它的带隙足够大，可以用于“开”或“关”电流。这种能力对于构成现代二进制计算机的关键元件晶体管来说至关重要。令人遗憾的是，石墨烯却不具备这样的带隙。
然而，石墨烯纳米带却可以突破这种局限性，充分发挥石墨烯的半导体潜能。这种纳米带，只有几个碳原子的宽度，一个碳原子的厚度。根据其形状和宽度的不同，这种纳米带将具有不同的电子特性：导体、半导体、绝缘体。
（图片来源： Yves Rubin）
为此，笔者曾介绍过瑞士联邦材料测试与开发研究所（Empa）的研究人员与德国马克斯普朗克聚合物研究所、美国加州大学伯克利分校的研究人员合作制造出宽度仅为1纳米，长度为50纳米的石墨烯纳米带，并制成只有几个原子宽度的纳米晶体管。
创新
今天，让我们继续关注瑞士联邦材料测试与开发研究所（Empa）的“nanotech@surfaces”实验室领导的国际科研团队利用石墨烯纳米带取得的新科研成果。
Empa 的研究人员与德国美因茨的马克斯普朗克聚合物研究所（Max Planck Institute for Polymer Research）的同事们以及其他合作伙伴一起实现了一项关键性突破。他们通过独特地改变石墨烯纳米带的形状，成功地调整了它的特性。这项技术的独特性在于，它不仅改变上述的常规特性，而且还可用于生成独特的局域量子态。
未来，它将用于实现精准的纳米晶体管，甚至在不久的未来还将用于量子计算机。团队将相关研究成果发表在最近一期的《自然》杂志上。
技术
那么，这项研究背后的机制又是怎样的呢？如果石墨烯纳米带的宽度改变，在这个案例中，从7个原子变成9个原子的宽度，在转变过程中会产生一个特殊的区域。因为两个区域的电子特性，由于各自特殊的”拓扑“方式而变得不同，所以在过渡区域中产生了一个“受保护”因而非常健壮的新量子态。这种局部的电子量子态，现在可以成为生产定制的半导体、金属或者绝缘体的基本组成部分，甚至可以作为量子计算机的组成部分。
当石墨烯纳米带含有不同宽度的分区时，健壮的新量子态将在过渡区域产生。（图片来源：Empa）
Oliver Gröning 领导的 Empa 研究人员能够证明，如果不同宽度的区域有规律地交替组成这些纳米带，通过大量的转变，会形成一条具有自己独特电子结构且相互连接的量子态链。令人兴奋的事情是，这条链的电子特性根据不同分区的宽度而改变。这使得它们可以被精细地调整，从导体到具有不同带隙的半导体。这个原理可以应用到不同类型的过渡区域，例如从7个原子到11个原子。
这条链的电子特性可以被精细地调整。（图片来源：Empa）
Gröning 表示：“加州大学伯克利分校的一个研究小组，独立于我们，取得了相似的成果。这一事实也强调了这项研发的重要性。” 美国团队的研究已经发表在同一期的《自然》杂志上。
下面，让我们通过这张图来更直观地认识这项技术：
最上面的部分（第一行）：采用两种不同的前体分子制造出混合的纳米带。左面（小）的前体分子制造出平滑的7个碳原子宽度的纳米带。大一点的前体分子制造出7到11个碳原子宽度的菱形分区。
原子力显微法（AFM）（第二行）: 混合的石墨烯纳米带，中间具有5个“菱形”分区（7-11 分区），左边和右边是平滑的7个原子宽度的纳米带。黑色的比例尺是1纳米。
扫描隧道显微法（第三行）：菱形区域两端的局域量子态（明亮区域）的显微镜图像。分区与上面的AFM图像相对应。
扫描隧道显微图像的仿真（第四行）：实验中量子态如何出现在“菱形”分区两端的理论预测。
价值
基于新型量子链，未来科学家们将可以制造出精准的纳米晶体管，这将成为朝着纳米电子学目标所迈出的非常重要的一步。在状态“1”与状态“0”之间的切换距离是否足够大，取决于半导体的带隙。而按照这种新方法，它几乎可以随意设定。
在现实中，一切却没那么简单。为了让这条链具有期望的电子特性，几百甚至上千的原子，每一个都必须位于正确的地方。Empa 的研究员 Gröning 表示：“它基于复杂的跨学科研究，来自杜本多夫、美因茨、德累斯顿、特洛伊（美国）的研究人员在一起工作，从理论认识和具体知识（前体分子必须如何构造以及表面上的结构如何选择性地生长），到采用扫描隧道显微镜来进行结构和电子分析。”
如今，电子电路正进一步走向小型化。超小型晶体管，将成为下一步的发展目标，同时也是这项研究的一个明显的应用可能性。虽然技术上极具挑战性，但是基于纳米晶体管的电子器件与如今的微电子器件的工作方式基本相同。Empa 研究人员制造出的半导体纳米带，将使得晶体管的沟道横截面缩小至如今制造出的那些晶体管的千分之一。然而，我们还可以进一步想象其他的应用可能性，例如，在自旋电子学或者甚至量子信息学领域。
这是因为：不同宽度的石墨烯纳米带结合处的电子量子态也携带着一个磁矩。这使它能不通过电荷（之前惯用的方式）处理信息，而是采用所谓的“自旋”，也就是“旋转方向”的状态。相关的开发还可以更进一步。 Oliver Gröning 解释道：“我们已经观察到，在特定量子链末端产生了拓扑末端状态。它们有可能用作量子位（量子计算机中一种复杂的互锁状态）的组成部分。”
然而，近期还无法通过纳米带构造出量子计算机，目前仍然有许多研究需要开展。Gröning 表示：“通过单个量子态的针对性组合灵活地调整电子特性，代表着我们在生产超小型晶体管的新型材料方面取得了巨大飞跃。”这些材料在一般环境条件下很稳定，因此将在未来的应用开发中扮演重要角色。
Gröning 表示：“未来，利用这些链创造局域量子态，并用针对性的方式将它们连接到一起，也将极具潜力和吸引力，尽管这一潜力是否能被未来的量子计算机实际利用还有待观察。在纳米带中创造局域拓扑状态还是不够的，纳米带也必须与其他材料，例如超导体，以某种方式耦合，从而实际满足量子位的条件。”
关键字
石墨烯、纳米带、晶体管、半导体、量子
【1】https://www.empa.ch/web/s604/quantum-chains
【2】http://dx.doi.org/10.1038/s41586-018-0375-9
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