一定條件下石墨烯可變身拓撲絕緣體

　　為制造量子計算機提供了新思路

　　據美國麻省理工學(xué)院網(wǎng)站近日報道，該?？茖W(xué)家通過(guò)研究發(fā)現，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(guān)研究發(fā)表在本周出版的《自然》雜志上。

　　研究人員發(fā)現，將石墨烯薄片置于強度為35特斯拉磁場(chǎng)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，讓其根據電子自旋的方向對電子進(jìn)行過(guò)濾，而這點(diǎn)是目前任何傳統電子系統都無(wú)法做到的。

　　在典型條件下，石墨烯表現為正常導體，對其施加電壓，電流從其上通過(guò)。但如果將一片石墨烯置于與其垂直的磁場(chǎng)中，石墨烯的特性就會(huì )發(fā)生改變——電流只會(huì )沿著(zhù)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(shí)的電流只會(huì )根據磁場(chǎng)的方向沿著(zhù)一個(gè)方向前進(jìn)。這種現象被稱(chēng)為量子霍爾效應。

　　在新的研究中，研究人員發(fā)現，如果在上述情況下再增加一個(gè)與石墨烯放置位置水平的強磁場(chǎng)，石墨烯的特性會(huì )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(xué)院物理系博士后安德烈·楊說(shuō)：“我們創(chuàng )造了一種非比尋常的特殊導體。根據電子自旋的方向對電子進(jìn)行分離是拓撲絕緣體常見(jiàn)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(guò)改變磁場(chǎng)，還可以隨時(shí)對電子運行的方向、通電與否的狀態(tài)進(jìn)行控制。這意味著(zhù)可以用它們制成電路和晶體管，這在此前還沒(méi)有實(shí)現過(guò)。”

　　麻省理工學(xué)院副教授巴勃羅·加洛里—埃雷羅說(shuō)，此前曾經(jīng)有人對石墨烯的這種特性進(jìn)行過(guò)預測，但從沒(méi)有人將其實(shí)現。該研究首次證實(shí)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(jìn)行控制。該實(shí)驗完成了一些研究人員數十年一直試圖實(shí)現而沒(méi)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(xué)院物理學(xué)教授雷·埃紹瑞稱(chēng)，這項研究為拓撲絕緣體的研究描繪了新的研究方向。他說(shuō)：“我們無(wú)法預測這項發(fā)現會(huì )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(shuō)：由于需要極端的低溫和強磁環(huán)境，要實(shí)現這樣的要求并不容易，因此用該技術(shù)制造出的量子計算機將是一臺非常專(zhuān)業(yè)的設備，可能會(huì )首先用于高優(yōu)先級的計算任務(wù)。下一步，他們將對石墨烯在較低的磁場(chǎng)(1特斯拉)和較高溫度下的表現進(jìn)行測試，以期降低該技術(shù)的使用門(mén)檻。