石墨烯開(kāi)啟量子運(yùn)算研究領(lǐng)域新方向

根據(jù)美國(guó)麻省理工學(xué)院(MIT)發(fā)布的最新研究進(jìn)展顯示，由于石墨烯具有選擇性自旋的特性，在某些極端情況下可在邊緣形成量子電路，從而可望開(kāi)啟量子運(yùn)算等新應(yīng)用領(lǐng)域。

研究人員表示，二維碳材料能以這種新方式加以利用，有助于進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)意外的特性與使用案例。根據(jù)這份在《自然》(Nature)雜志發(fā)表的研究顯示，石墨烯在某些極端情況下還會(huì)提供一些額外的優(yōu)點(diǎn)，例如量子運(yùn)算等新應(yīng)用。

這最終有可能實(shí)現(xiàn)量子電腦的制造，根據(jù)其中一位研究人員表示，不過(guò)由于它必須具備極端條件，使其必須要由一款高度專(zhuān)業(yè)化的機(jī)器來(lái)制造，因此將優(yōu)先用于像國(guó)家實(shí)驗(yàn)室等級(jí)的運(yùn)算任務(wù)中。

在這項(xiàng)研究中，石墨烯被置于一個(gè)極端強(qiáng)大的磁場(chǎng)下，以非常低的溫度和電子的自旋方向來(lái)決定石墨烯如何過(guò)濾這些電子——這是一項(xiàng)傳統(tǒng)電子系統(tǒng)無(wú)法執(zhí)行的任務(wù)。

研究人員們發(fā)現(xiàn)，如果在石墨烯上施加一個(gè)強(qiáng)大的磁場(chǎng)，當(dāng)電子圍繞導(dǎo)電邊緣以順時(shí)針或逆時(shí)針移動(dòng)時(shí)，石墨烯也隨發(fā)生變化。在正常情況下，電流只會(huì)沿著石墨烯的邊緣流動(dòng)，而主體部分保持絕緣。電流以一個(gè)方向移動(dòng)的現(xiàn)象即量子霍爾效應(yīng)。

石墨烯可被用于各種不同的目的。然而，研究人員發(fā)現(xiàn)，透過(guò)改變磁場(chǎng)，就能開(kāi)啟或關(guān)斷邊緣狀態(tài)，這意味著原則上可以從物質(zhì)中制造出電路和電晶體。這是透過(guò)傳統(tǒng)絕緣體無(wú)法完成的。更重要的是，這種自旋選擇性避免電子移動(dòng)的崩解，即使邊緣存在臟污，電子沿著邊緣傳輸時(shí)也幾乎沒(méi)有瑕疵。

該論文由Pablo Jarillo-Herrero與Ray Ashoori教授、博士后研究生Andrea Young與Ben Hunt、研究生Javier Sanchez-Yamaguchi以及其他幾個(gè)人共同發(fā)表，并得到美國(guó)能源部(DoE) 、Gordon and Betty Moore基金會(huì)、美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)(NSF)的資金贊助，以及使用佛羅里達(dá)州的美國(guó)國(guó)家強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室設(shè)施等支持。

據(jù)MIT研究人員表示，盡管過(guò)去已經(jīng)對(duì)石墨烯薄片的行為加以預(yù)測(cè)，但卻從來(lái)沒(méi)有真的實(shí)際進(jìn)行。選擇性自旋的行為也是至今第一次能夠在石墨烯單層上表現(xiàn)出來(lái)，同時(shí)也象征第一注注意到在兩種狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)變。

根據(jù)研究人員表示，這項(xiàng)研究標(biāo)示著一個(gè)邁向拓墣絕緣體研究的新方向，他們并不知道未來(lái)的更多研究將通往何處，但強(qiáng)調(diào)這些發(fā)展為建構(gòu)新電子設(shè)備開(kāi)啟了更多可能性。更重要的是，他們相信，這項(xiàng)工作可能經(jīng)由各種交互作用使拓墣絕緣與石墨烯實(shí)體連結(jié)起來(lái)。