Nat. Electron.：单个原子级精确的石墨烯纳米带实现了量子传输

量子技术前景广阔，但也令人困惑。在未来几十年里，量子技术有望为我们带来各种突破：更小、更精确的传感器，高度安全的通信网络，以及强大的计算机。它们可以帮助开发新药物和新材料，控制金融市场，预测天气，其速度远远超过目前的计算技术。

要实现这些目标，我们需要量子材料——能表现出明显量子物理效应的物质。石墨烯就是这样一种材料。这种碳的二维结构形式具有不同寻常的物理特性：例如超高的拉伸强度、导热性和导电性，以及某些量子效应。进一步限制这种二维材料（例如使其具有带状形状）就会产生一系列可控的量子效应。

8月14日，研究成果以“Contacting individual graphene nanoribbons using carbon nanotube electrodes”为题，发表在《自然·电子学》上。

Empa 研究人员及其国际合作者已成功将碳纳米管电极连接到单个原子级精确的纳米带上。

这正是 Mickael Perrin 团队在他们的工作中所利用的：几年来，在 Michel Calame 的领导下，瑞士联邦材料测试与开发研究所(EMPA)纳米界面传输实验室的科学家们一直在开展石墨烯纳米带的研究。Perrin 解释说：“石墨烯纳米带甚至比石墨烯本身更令人着迷。通过改变石墨烯纳米带的长度和宽度、边缘形状以及添加其他原子，可以赋予它们各种电学、磁学和光学特性。”

极致精确：精确到单个原子

研究前景广阔的条带(ribbon)并非易事。条带越窄，其量子特性就越明显，但同时也更难同时获得单个条带。要想了解这种量子材料的独特特性和可能的应用，并将它们与集体效应区分开来，就必须这样做。

在这项新研究中，Perrin 和研究员Jian Zhang张健以及一个国际团队首次成功地接触到了单个长的、原子精度高的石墨烯纳米带。Jian Zhang解释说：“仅有 9 个碳原子宽的石墨烯纳米带宽度仅为 1 纳米。”为了确保只接触到一条纳米带，研究人员采用了类似尺寸的电极：他们使用的碳纳米管直径也只有 1 纳米。

对于如此精细的实验来说，精度是关键。首先是源材料。研究人员通过与 Roman Fasel 领导的实验室的长期紧密合作，获得了石墨烯纳米带。Roman Fasel 和他的团队长期从事石墨烯纳米带的研究工作，可以从单个前驱体分子中以原子精度合成多种不同类型的石墨烯纳米带，Perrin 表示，“前驱体分子来自位于Mainz的马克斯-普朗克聚合物研究所。”

正如推动技术进步通常所要求的那样，跨学科是关键，不同的国际研究小组都参与其中，各自发挥专长：碳纳米管是由北京大学的一个研究小组培育的，为了解释研究结果，Empa 的研究人员与华威大学的计算科学家进行了合作。

实验中，纳米管与单个碳带的接触给研究人员带来了相当大的挑战。“碳纳米管和石墨烯纳米带分别生长在不同的基底上。首先，纳米管需要转移到设备基底上，并与金属电极接触。然后，我们用高分辨率电子束光刻技术对其进行切割，将其分成两个电极。最后，我们将纳米带转移到同一基板上。精度是关键：即使是基板最轻微的旋转也会大大降低成功接触的概率。”Perrin说：“能够使用位于IBM研究院宾尼格和罗赫尔纳米技术中心(BRNC)的高质量基础设施，对于测试和实施这项技术至关重要。”

带有单壁碳纳米管（SWNT）电极的多栅极 9-AGNR 晶体管；石墨烯纳米带 (GNR) 是一类可调谐的量子材料。

通过与 SWNT 电极接触的单个 GNR 进行量子传输

9-AGNR 的电子和声子特性

从量子应用到能源转换

科学家们通过电荷传输测量确认了实验的成功。

Perrin 解释说：“由于量子效应通常在低温下更为明显，因此我们在接近绝对零度的高真空环境中进行了测量。”但他很快又补充了石墨烯纳米带的另一个特别有前景的特性：“由于这些纳米带的尺寸极小，我们预计它们的量子效应将非常强大，甚至在室温下也能观察到。这将使我们能够设计和运行主动利用量子效应的芯片，而无需复杂的冷却基础设施。”

参与该项目的华威大学教授 Hatef Sadeghi 补充说：“这个项目能够实现单个纳米带器件，不仅可以研究基本量子效应，如电子和声子在纳米尺度上的行为方式，还可以利用这种效应在量子开关、量子传感和量子能量转换等方面进行应用。”

不过，，目前石墨烯纳米带尚未准备好投入商业应用，仍有许多研究工作要做。在后续研究中，Zhang 和 Perrin 的目标是在单个纳米带上操纵不同的量子态。此外，他们还计划在串联的两条纳米带的基础上创建设备，形成双量子点：这种电路可以作为量子计算机中最小的信息单位——量子比特。

Mickael L. Perrin 在他的实验室中探索石墨烯纳米带。

此外，Perrin最近还获得了欧洲研究理事会（ERC）的启动资助（Starting Grant）和瑞士国家科学基金会（SNSF）的教授奖学金（Sccellenza Professorial Fellowship），他计划将纳米带用作高效能源转换器。在苏黎世联邦理工学院的就职演讲中，他描绘了这样一个世界：我们可以利用温差发电，同时几乎不会损失任何热能；这将是一个真正的质的飞跃。

参考链接：

[1]https://www.empa.ch/web/s604/quantum-dot-generator

[2]https://www.eurekalert.org/news-releases/998584

[3]https://www.nature.com/articles/s41928-023-00991-3

[4]https://www.nature.com/articles/s41928-023-00992-2