科学家一次构建一个原子的新型量子试验台

凭借原子精度，科学家们建立了一个试验台，以全新的方式操纵电子，并在量子计算中具有潜在的应用。电子是微小的物体，可以在材料之间和设备之间传输电力和信息。它们通常被形象化为离散的球体，要么在电路中移动，要么连接到原子上。虽然这个经典模型适用于许多场景，但量子力学描绘了一幅截然不同的电子本质图景，涉及波、云和大量数学。

随着科学家们对量子力学有了更多的了解，他们正在超越我们目前的方法来设计具有独特电子特性的材料，使他们能够以全新的方式存储和操纵信息。

美国能源部(DOE)阿贡国家实验室的科学家们创建了一个新颖的试验台，用于探索电子在称为拓扑绝缘体的特殊材料类别中的行为，这种材料可以应用于量子计算。

拓扑学——关于形状性质的数学领域——提供了对材料物理学的独特见解。拓扑绝缘体表面的电子可以以允许它们几乎没有阻力地流动的状态存在。这些状态还可以保护系统免受外部噪声或影响，这是新兴量子信息技术面临的主要挑战。

科学家们正在探索像这些拓扑状态这样的量子力学现象的力量，以更快、更安全和更节能地存储和传递信息。

“我们能够在我们的试验台上控制拓扑状态的出现，”该论文的第一作者、阿贡理论物理学家PierreDarancet说。“我们的工作代表了朝着利用拓扑现象进行量子计算迈出的一步。”

我不敢相信这不是石墨烯!

超强和优良的电子导体，材料石墨烯是一个原子厚的碳原子片，具有许多可能的应用。在之前的工作中，石墨烯纳米带——石墨烯的小条——被证明表现出有前途的拓扑状态。受此启发，阿贡团队构建了一个具有原子精度的人造石墨烯试验台，希望进一步探索这些拓扑效应。

“与合成实际的纳米带相比，制造人造石墨烯纳米带可以让我们更精确地控制系统，后者可能很混乱，”Darancet说。“让实验者逐个原子地构建原子乐高积木是理论家的梦想，它允许对拓扑结构进行更大的操作和探索。”

该团队在美国能源部科学办公室用户设施阿贡纳米材料中心使用扫描隧道显微镜(STM)将单个一氧化碳(CO)分子非常精确地放置在铜表面上，从而构建了人造石墨烯纳米带。

科学家们在阿贡纳米材料中心使用这种扫描隧道显微镜来创建和表征人造石墨烯纳米带。图片来源：阿贡国家实验室

科学家通常使用显微镜来收集有关材料的信息。在这项研究中，他们使用STM来创建和研究材料。他们还开发了计算机算法来实现施工自动化，使他们能够远程操作STM。“我会醒来，喝杯咖啡，然后开始玩30英里外的显微镜，”在阿贡大学担任博士后职位时负责STM部分工作的DanTrainer说。

使用显微镜的原始尖端，Trainer和团队将CO分子一个接一个地定位在铜表面上，其方式限制了它们的电子，以模拟真实石墨烯纳米带中碳原子单独呈现的蜂窝结构。

由此产生的人造纳米带确实显示出研究人员预测会出现在真实事物中的相同电子和拓扑特性。

实现拓扑状态

在当前的电子技术中，信息用1和0表示，对应于电路中电子流动的存在或不存在。当一种材料存在于本研究中所证明的拓扑状态时，其表面上的电子可以更好地描述为一种量子力学蜂巢思维，在材料上显示出波型。

人们可以将金属表面上的电子想象成池塘中的波浪，池塘中的水将自身组织为在湖边界上反弹的一系列振动，而不仅仅是不相关的H2O分子的汤。拓扑态是从表面上单个电子之间的复杂相互作用中产生的流氓波。

该实验的一个主要挑战是找到将系统的电子锁定在与石墨烯电子等效的物质中所需的CO分子的最佳间距。当科学家们在他们的试验台上实现这种精确配置时，拓扑波出现在铜表面。就像北极的北极光一样，当条件恰到好处时，普通的粒子系统会变成壮观的电磁场。

“实验系统如此完美地符合理论预测是非常罕见的，”Trainer说。“真是太棒了。”