電子是微小的物體，可以在材料之間和設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圖景，涉及波、云和大量數學。
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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，這種材料可以應用于量子計算。
拓撲學——關于形狀性質的數學領域——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存在。這些狀態還可以保護系統免受外部噪聲或影響，這是新興量子信息技術面臨的主要挑戰。
科學家們正在探索像這些拓撲狀態這樣的量子力學現象的力量，以更快、更安全和更節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的出現，”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——被證明表現出有前途的拓撲狀態。受此啟發，阿貢團隊構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。
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。” “讓實驗者逐個原子地構建原子樂高積木是理論家的夢想，它允許對拓撲結構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材料的信息。在這項研究中，他們使用 STM 來創建和研究材料。他們還開發了計算機算法來實現施工自動化，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的蜂窩結構。
由此產生的人造納米帶確實顯示出研究人員預測會出現在真實事物中的相同電子和拓撲特性。
實現拓撲狀態
在當前的電子技術中，信息用 1 和 0 表示，對應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，而不僅僅是不相關的 H2O 分子組成的湯。拓撲態是從表面上單個電子之間的復雜相互作用中產生的流氓波。
該實驗的一個主要挑戰是找到將系統的電子鎖定在與石墨烯電子等效的物質中所需的 CO 分子的最佳間距。當科學家們在他們的試驗臺上實現這種精確配置時，拓撲波出現在銅表面。就像北極的北極光一樣，當條件恰到好處時，普通的粒子系統會變成壯觀的電磁場。
“實驗系統如此完美地符合理論預測是非常罕見的，”Trainer 說。“真是太棒了。”
該研究結果發表在 《ACS Nano》期刊上，原文：“Artificial Graphene Nanoribbons: A Test Bed for Topology and Low-Dimensional Dirac Physics”。
