Empa的研究人员和他们的国际合作者已经成功地将碳纳米管电极连接到单个原子精确的纳米带上。来源:电子探针
量子技术有着巨大的前景，但它也充满了复杂性。预计在未来几十年将迎来一系列技术进步，它将为我们提供更紧凑和精确的传感器，强大的安全通信网络和高容量计算机。这些进步将超过当前计算技术的能力，有助于新药物和新材料的快速开发，控制金融市场，增强天气预报。
为了实现这些好处，我们需要所谓的量子材料，它表现出显著的量子物理效应。石墨烯就是这样一种材料。这种二维结构形式的碳具有不同寻常的物理特性，如极高的抗拉强度、导热性和导电性，以及某些量子效应。进一步限制已经是二维的材料，例如，给它一个带状的形状，会产生一系列可控的量子效应。
这正是michael Perrin的团队在他们的工作中所利用的:几年来，Empa纳米级界面传输实验室的科学家们，在michael Calame的领导下，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迷人，”Perrin解释说。“通过改变它们的长度和宽度，以及它们边缘的形状，并通过添加其他原子，你可以赋予它们各种各样的电、磁和光学特性。”
纳米带的性质取决于它们的宽度和边缘的形状。来源:电子探针
终极精度-精确到单个原子
研究有前途的丝带并不容易。条带越窄，其量子特性就越明显，但同时也变得更难一次接触到单个条带。为了理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，这正是必须做的事情。
在最近发表在《自然电子学》杂志上的一项新研究中，Perrin和Empa研究员张剑以及一个国际团队首次成功地接触到了单个的长而原子精度的石墨烯纳米带。这可不是一件小事:“一个只有9个碳原子宽的石墨烯纳米带的宽度只有1纳米，”张说。为了确保只有一个纳米带被接触，研究人员使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。
对于这样一个精密的实验，精确是关键。它从原始材料开始。研究人员通过与罗马·法塞尔领导的Empa nanotech@surfaces实验室的长期合作，获得了石墨烯纳米带。“Roman Fasel和他的团队已经研究石墨烯纳米带很长时间了，并且可以从单个前体分子中以原子精度合成许多不同类型的纳米带，”Perrin解释说。前体分子来自美因茨的马克斯普朗克聚合物研究所。
正如推动技术进步通常需要的那样，跨学科是关键，不同的国际研究小组都参与其中，每个小组都带来了自己的专长:碳纳米管是由北京大学的一个研究小组培养的，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合作。“没有合作，这样的项目是不可能的，”张强调说。
极窄的带具有原子精确的边缘，表现出强烈的量子效应，使研究人员对它们特别感兴趣。来源:电子探针
用纳米管接触单个条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衬底上，”张解释说。“首先，纳米管需要转移到器件基板上，并通过金属电极接触。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，将带转移到相同的衬底上。精度是关键:即使基材最轻微的旋转也会显著降低成功接触的概率。Perrin说:“在
从电脑到能量转换器
科学家们通过电荷输运测量证实了他们实验的成功。Perrin解释说:“因为量子效应通常在低温下更为明显，所以我们在接近绝对零度的高真空中进行了测量。”但他很快补充了石墨烯纳米带另一个特别有前途的品质:“由于这些纳米带的尺寸极小，我们希望它们的量子效应非常强大，即使在室温下也能观察到。”研究人员说，这可以让我们设计和操作主动利用量子效应的芯片，而不需要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:“该项目实现了单纳米带器件，不仅可以研究基本的量子效应，如电子和声子在纳米尺度上的行为，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方面的应用。”
石墨烯纳米带还没有做好商业应用的准备，还有很多研究要做。在一项后续研究中，Zhang和Perrin的目标是在单个纳米带上操纵不同的量子态。此外，他们计划制造基于串联连接的两个条带的设备，形成所谓的双量子点。这样的电路可以作为量子比特——量子计算机中最小的信息单位。此外，在他最近获得的ERC启动基金和SNSF Eccellenza教授奖学金的背景下，Perrin计划探索纳米带作为高效能量转换器的使用。在苏黎世联邦理工学院的就职演讲中，他描绘了一个世界的图景，在这个世界中，我们可以利用温差发电，而几乎不会损失任何能量作为热量——这确实是一个真正的量子飞跃。
能得到部分合作
多个研究小组对这个项目做出了重要贡献。石墨烯纳米带是由罗曼·法塞尔领导的Empa nanotech@surfaces实验室在美因茨马克斯·普朗克聚合物研究所的克劳斯·米
由Michel Calame领导的Empa纳米级界面传输实验室的成员将纳米带集成到纳米制造的设备中，该实验室也包括michael Perrin的团队。这项特殊研究所需的精确排列的高质量碳纳米管是由北京大学张晋研究小组提供的。最后，为了解释研究结果，Empa的研究人员在Hatef Sadeghi的监督下与华威大学的计算科学家合作。
参考文献:“使用碳纳米管电极接触单个石墨烯纳米带”，作者:张建，刘谦，Gabriela Borin Barin, Abdalghani H. S. Daaoub，陈佩佩，Klaus m
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我是文学号的签约作者“千子”！
希望本篇文章《揭开纳米级奇迹：碳基量子技术》能对你有所帮助！
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