科学家们正在尝试使用窄带石墨烯(称为纳米带)，希望制造出很酷的新电子器件，但加州大学伯克利分校的科学家发现了另一种可能的效果：纳米尺度的电子陷阱，它可能会应用在量子计算机中。

石墨烯是一种碳原子，排列成类似鸡丝的刚性蜂窝点阵，有自己有趣的电子特性。然而，当科学家切断宽度小于约5纳米(不到人类头发宽度的万分之一)的丝带时，石墨烯纳米带有了新的量子特性，使其成为硅半导体的潜在替代品。

加州大学伯克利分校的理论家和物理学教授史蒂文路易(Steven Louie)去年预测，添加两种不同类型的纳米带可能会产生一种独特的材料，即在带状片段之间的连接处固定一个电子。

然而，为了实现这一点，两个纳米带组件的电子“拓扑”必须不同。这里的拓扑指的是电子态在纳米带中机械运动时传播所采用的形状，这是石墨烯纳米带中被忽略的一个微妙特征，直到路易斯做出预测。

路易的两位同事，化学家费利克斯菲舍尔和物理学家迈克尔克罗米，对他的想法和在纳米带中捕获电子的潜在应用感到兴奋，并联手进行测试和预测。他们一起通过实验证明，具有适当拓扑结构的纳米带结被单个局部电子占据。

根据路易公式，纳米带具有不同宽度的交替带，形成纳米带超晶格，并产生可与量子力学相互作用的康佳电子系列。根据带的距离，新的混合纳米带可以是金属、半导体或量子位链，这也是量子计算机的基本元素。

“这为我们提供了一种控制石墨烯纳米带电子和磁性的新方法，”加州大学伯克利分校物理学教授克罗米说。“我们花了几年时间，使用更传统的方法来改变纳米带的性质，但使用它们的拓扑结构为我们提供了一种强大的新方法，来修改我们从未怀疑过的纳米带的基本特性。”

使用拓扑数学。

路易斯的理论认为纳米带是拓扑绝缘体：不常见的材料是绝缘体，即内部不导电，但沿着其表面是金属导体。2016年诺贝尔物理学奖授予了三位科学家，他们首先用拓扑学的数学原理解释了物质奇怪的量子态，现在他们被归为拓扑物质。

三维拓扑绝缘体沿两侧导电，二维拓扑绝缘体沿边缘导电。这些新的一维纳米带拓扑绝缘体的边缘具有等效的零维(0D)金属。需要注意的是，单个带状结的0D电子被限制在所有方向，不能移动到任何地方。然而，如果另一个电子类似地被捕获在附近，这两个电子可以沿着纳米带隧穿，并通过量子力学的规则相遇。相邻电子的旋转，如果间隔适当，应该纠缠在一起，以便调整一个电子影响其他电子，这是量子计算机的一个基本特征。

加州大学伯克利分校的化学教授菲舍尔说，合成杂化纳米带是一项艰巨的任务。虽然理论家可以预测许多拓扑绝缘体的结构，但这并不意味着它们可以在现实世界中合成。

“在这里，你有一个非常简单的方法，如何在一个非常容易获得的材料中创建拓扑状态，”费舍尔说。“这只是有机化学。综合不是小事，但我们可以做到。这是一个突破，我们现在可以开始考虑如何利用它来实现新的、前所未有的电子结构。”

研究人员将在8月9日的《自然》杂志上报告他们的综合、理论和分析。路易、菲舍尔和克罗米也是劳伦斯伯克利国家实验室的教员科学家。

一起编织纳米带。

Louie专注于从超导体到纳米结构的不寻常物质的量子理论，并在2017年写了一篇论文，描述了如何利用理论发现纳米带是具有一维拓扑绝缘体的石墨烯纳米带结。他的公式需要采用所谓的拓扑平凡的纳米带，并将其与拓扑非平凡的纳米带配对，其中Louie解释了如何通过观察带中电子采用的量子力学状态的形状来区分两者。

费歇尔专门从事异常纳米分子的合成和表征，他们发现了一种制备原子级精确纳米带结构的新方法，可以显示基于蒽的复杂碳化合物的这些特性。

菲舍尔和克罗米的研究团队并肩工作，然后在真空室中加热的金催化剂上构建纳米带。克罗米的团队用扫描隧道显微镜证实了纳米带的电子结构。这完全符合路易斯的理论和计算。他们制造的混合纳米带有50到100个结，每个结都被一个电子占据，并且可以与其邻居进行量子力学相互作用。

“当你加热积木时，你会得到一块分子被编织在一起，成为这个美丽的纳米带，”克罗米说。“但是因为不同的分子可以有不同的结构，纳米带可以被设计成具有有趣的新特性。”

Fischer说，每个纳米带的长度可以改变，以改变捕获电子之间的距离，从而改变它们与量子力学相互作用的方式。当电子靠得很近时，它们会强烈地相互作用，并分裂成两种量子态(成键和反成键)，它们的性质可以被控制，从而可以制造新的一维金属和绝缘体。然而，当被抓获时，

“这为我们提供了一个全新的系统，可以缓解未来量子计算机所面临的一些问题，例如如何轻松地大规模生产高精度量子点，这些量子点可以通过工程纠缠，以简单的方式整合到电子设备中，”Fischer说过。

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