為制造量子計算機提供了新思路

據(jù)美國麻省理工學院網(wǎng)站近日報道，該?？茖W家通過研究發(fā)現(xiàn)，在某些極端情況下，可將石墨烯轉化為具有獨特功能的拓撲絕緣體，有望為量子計算機的制造提供新思路。相關研究發(fā)表在本周出版的《自然》雜志上。

研究人員發(fā)現(xiàn)，將石墨烯薄片置于強度為35特斯拉磁場和比絕對零度高0.3攝氏度的低溫環(huán)境中，可使石墨烯的導電性能發(fā)生改變，讓其根據(jù)電子自旋的方向對電子進行過濾，而這點是目前任何傳統(tǒng)電子系統(tǒng)都無法做到的。

在典型條件下，石墨烯表現(xiàn)為正常導體，對其施加電壓，電流從其上通過。但如果將一片石墨烯置于與其垂直的磁場中，石墨烯的特性就會發(fā)生改變——電流只會沿著石墨烯薄片的邊緣運行，其他部分則變?yōu)榱私^緣體。此外，這時的電流只會根據(jù)磁場的方向沿著一個方向前進。這種現(xiàn)象被稱為量子霍爾效應。

在新的研究中，研究人員發(fā)現(xiàn)，如果在上述情況下再增加一個與石墨烯放置位置水平的強磁場，石墨烯的特性會再次發(fā)生改變：電子仍只能沿石墨烯的邊緣運行，但運行的方向由單向變成了雙向，而具體方向則由電子自旋的不同方向決定。

論文主要作者麻省理工學院物理系博士后安德烈·楊說：“我們創(chuàng)造了一種非比尋常的特殊導體。根據(jù)電子自旋的方向對電子進行分離是拓撲絕緣體常見的一項功能。但石墨烯并不是通常意義上的拓撲絕緣體。我們在不同的材料體系中獲得了同樣的效果。更重要的是，通過改變磁場，還可以隨時對電子運行的方向、通電與否的狀態(tài)進行控制。這意味著可以用它們制成電路和晶體管，這在此前還沒有實現(xiàn)過。”

麻省理工學院副教授巴勃羅·加洛里—埃雷羅說，此前曾經(jīng)有人對石墨烯的這種特性進行過預測，但從沒有人將其實現(xiàn)。該研究首次證實了單片石墨烯對自旋電子具有選擇性;也首次證明了石墨烯能夠對電子運行的方向、通電與否的狀態(tài)進行控制。該實驗完成了一些研究人員數(shù)十年一直試圖實現(xiàn)而沒有獲得成功的工作，有望產(chǎn)生一種制造量子計算機的新方法。

參與此項研究的麻省理工學院物理學教授雷·埃紹瑞稱，這項研究為拓撲絕緣體的研究描繪了新的研究方向。他說：“我們無法預測這項發(fā)現(xiàn)會導致什么結果，但它拓寬了我們的思路，為多種設備的制造提供了可能。”

安德烈·楊說：由于需要極端的低溫和強磁環(huán)境，要實現(xiàn)這樣的要求并不容易，因此用該技術制造出的量子計算機將是一臺非常專業(yè)的設備，可能會首先用于高優(yōu)先級的計算任務。下一步，他們將對石墨烯在較低的磁場(1特斯拉)和較高溫度下的表現(xiàn)進行測試，以期降低該技術的使用門檻。