六方晶格是石墨烯的特征，波浪象征着电子的运动
世界上没有什么是完美的。在材料研究中也是如此。在计算机模拟中，人们经常以一种高度理想化的方式来表示一个系统。例如，人们可以计算绝对完美的晶体所具有的特性。然而，在实践中，我们总是必须处理额外的影响 – 晶格中的缺陷，附着在材料上的额外颗粒，以及颗粒之间复杂的相互作用。因此，关键问题是：这些不可避免的附加效应是否会改变材料特性？
这对于仅由单层碳原子组成的二维材料石墨烯来说尤其有趣。人们早就知道石墨烯具有优异的电子性能。然而，到目前为止还不清楚这些特性的稳定性如何。它们是被实践中不可避免的干扰和附加影响所破坏，还是保持完好无损？维也纳工业大学（维也纳）现已成功开发出真实石墨烯结构的综合计算机模型。事实证明，达到了预期的效果，非常稳定。即使不太完美的石墨烯片也可以很好地用于技术应用。这对于全球石墨烯界来说是个好消息。
许多路径穿过石墨烯
“我们在原子尺度上计算电流如何在一小块石墨烯中传播，”维也纳工业大学理论物理研究所的 Florian Libisch 教授说。“电子可以通过不同的方式穿过材料。根据量子物理规则，它不必选择这些路径之一；电子可以同时选择多条路径。”
这些不同的路径可以以不同的方式重叠。在非常特定的能量值下，路径相互抵消；在这个能量下，电子穿过石墨烯片的概率非常低，电流也很小。这称为“相消干涉”。
“由于量子物理原因，电流在非常特定的能量值下急剧下降，这在技术上是非常理想的效果，”Florian Libisch 解释道。“例如，这可以用来处理微小尺寸的信息，类似于计算机芯片中的电子元件。”
人们还可以用它来开发新型量子传感器：假设石墨烯片几乎不传导电流。然后，突然，外部的一个分子附着在石墨烯表面。“这个分子稍微改变了石墨烯片的电子特性，这已经足以突然大幅增加电流，”罗伯特·斯塔德勒博士说。“这可以用来制造极其灵敏的传感器。”
多种可能的干扰
但在细节中发挥作用的物理效应非常复杂：“石墨烯片的大小和形状并不总是相同，并且几个电子之间存在多体相互作用，这很难用数学方法计算。在某些地方是不需要的额外原子，而且原子总是会有点摆动——所有这些都必须考虑在内，以便能够以真正现实的方式描述石墨烯材料，”Angelo Valli 博士说。
这正是维也纳工业大学现在所取得的成就：Angelo Valli、Robert Stadler、Thomas Fabian 和 Florian Libisch 在正确描述计算机模型中材料的不同效应方面拥有多年的经验。通过结合他们的专业知识，他们现在已经成功开发了一个全面的计算机模型，其中包括图形中存在的所有相关误差源和扰动效应。通过这样做，他们能够证明：即使存在这些误差源，所需的效果仍然可见。由于量子效应，仍然有可能找到电流仅在很小程度上流动的特定能量。实验已经表明这是合理的，但迄今为止还缺乏系统的理论研究。
这证明石墨烯不一定要完美才能用于量子信息技术或量子传感。对于这一领域的应用研究来说，这是一个重要的信息：世界范围内以受控方式利用石墨烯量子效应的努力确实是有希望的。
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Florian Libisch 教授维也纳工业大学
Prof. Florian Libisch
Institute for Theoretical Physics
TU Wien
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florian.libisch@tuwien.ac.at
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