量子技术充满希望，但也令人困惑。在未来几十年里，它有望为我们带来各种技术突破：更小、更精确的传感器、高度安全的通信网络以及功能强大的计算机，可以帮助开发新药物和材料、控制金融市场以及比以前更快地预测天气。当前的计算技术曾经可以做到。
为了实现这一目标，我们需要所谓的量子材料：表现出明显量子物理效应的物质。一种这样的材料是石墨烯。这种碳的二维结构形式具有不寻常的物理特性，例如极高的拉伸强度、导热性和导电性，以及某些量子效应。进一步限制已经二维的材料，例如，通过赋予其带状形状，产生一系列可控的量子效应。
这正是 Mickael Perrin 团队在工作中所利用的：几年来，由 Michel Calame 领导的 Empa 纳米尺度界面传输实验室的科学家们一直在 Perrin 的领导下进行石墨烯纳米带的研究。“石墨烯纳米带比石墨烯本身更令人着迷，”佩兰解释道。“通过改变它们的长度和宽度，以及边缘的形状，并向其中添加其他原子，你可以赋予它们各种电、磁和光学特性。”
终极精度 – 低至单个原子
对有前途的丝带的研究并不容易。色带越窄，其量子特性越明显，但一次获取单个色带也变得更加困难。这正是为了了解这种量子材料的独特特性和可能的应用并将其与集体效应区分开来必须要做的事情。
在最近发表在《自然电子》杂志上的一项新研究中，Perrin 和 Empa 研究员Jian Zhang 与一个国际团队一起，首次成功地接触到单个长且原子级精确的石墨烯纳米带。这不是一项简单的任务：“只有 9 个碳原子宽的石墨烯纳米带的宽度只有 1 纳米，”张说。为了确保仅接触单个纳米带，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仅为 1 纳米。
对于如此精细的实验来说，精度是关键。它从源材料开始。研究人员通过与 Roman Fasel 领导的 Empa 纳米技术@表面实验室的长期密切合作，获得了石墨烯纳米带。“Roman Fasel 和他的团队长期以来一直致力于石墨烯纳米带的研究，并且可以从单个前体分子以原子精度合成许多不同类型的石墨烯纳米带，” Perrin 解释道。前体分子来自美因茨的马克斯·普朗克聚合物研究所。
正如推进最先进技术所经常需要的那样，跨学科性是关键，不同的国际研究小组都参与其中，每个研究小组都带来了自己的专业知识：碳纳米管是由北京大学的一个研究小组生长的，并解释Empa 研究人员与华威大学的计算科学家合作研究了该研究的结果。“如果没有合作，这样的项目是不可能实现的，”张强调。
通过纳米管接触各个带对研究人员来说是一个相当大的挑战。“碳纳米管和石墨烯纳米带生长在不同的基底上，”张解释道。“首先，纳米管需要转移到设备基板上并与金属电极接触。然后我们用高分辨率电子束光刻将它们切割成两个电极。” 最后，将色带转移到同一基材上。精度是关键：即使基板最轻微的旋转也会显着降低成功接触的可能性。“能够使用位于 Rüschlikon 的 IBM 研究院的 Binnig 和 Roher 纳米技术中心的高质量基础设施对于测试和实施这项技术至关重要，佩兰说。
从计算机到能源转换器
科学家们通过电荷传输测量证实了他们的实验的成功。“由于量子效应通常在低温下更为明显，因此我们在高真空中接近绝对零的温度下进行了测量，”佩林解释道。但他很快又补充了石墨烯纳米带的另一个特别有前途的品质：“由于这些纳米带的尺寸极小，我们预计它们的量子效应非常强大，即使在室温下也可以观察到。” 研究人员表示，这可以让我们设计和操作能够主动利用量子效应的芯片，而无需复杂的冷却基础设施。
“该项目能够实现单纳米带器件，不仅可以研究基本的量子效应，例如电子和声子在纳米尺度上的行为方式，而且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中的应用”，参与该项目的华威大学教授 Hatef Sadeghi 补充道。
石墨烯纳米带尚未做好商业应用的准备，仍有大量研究工作要做。在后续研究中，张和佩林的目标是操纵单个纳米带上的不同量子态。此外，他们计划创建基于两条串联连接带的设备，形成所谓的双量子点。这样的电路可以用作量子位——量子计算机中最小的信息单位。此外，Perrin 在最近获得的 ERC 启动补助金和 SNSF Eccellenza 教授奖学金的背景下，计划探索使用纳米带作为高效能源转换器。在苏黎世联邦理工学院的就职演讲中，他描绘了一幅世界图景，在这个世界中，我们可以利用温差发电，
国际合作
多个研究小组对该项目做出了关键贡献。石墨烯纳米带是由 Roman Fasel 领导的 Empa 纳米技术@表面实验室基于美因茨马克斯·普朗克聚合物研究所 Klaus Müllen 团队提供的前体分子生长的。Empa 纳米级接口传输实验室的成员将纳米带集成到纳米制造的设备中，该实验室由 Michel Calame 领导，Mickael Perrin 的团队也参与其中。这项特殊研究所需的精确排列的高质量碳纳米管由北京大学张进研究小组提供。最后，为了解释研究结果，Empa 研究人员在 Hatef Sadeghi 的监督下与华威大学的计算科学家合作。
资料来源： https: //www.empa.ch/web/empa/
本文来自AZO，本文观点不代表石墨烯网立场，转载请联系原作者。
