新的研究表明，对量子态的控制可能会彻底改变电子产品的能源效率，并推进量子计算。来源:SciTechDaily.com
科学家们首次在二维材料中用电操纵“手性界面状态”，有望实现节能微电子网卡和量子计算。
科学家首次拍摄了一种奇异量子现象的原子分辨率图像，这可能有助于研究人员推进量子计算和节能电子技术。该工作使可视化和co
一类独特的量子绝缘体中电子流的控制。这一发现可能有助于研究人员构建可调谐的电子通道网络，并有望在未来实现高效量子计算和低功耗磁存储设备。
量子计算与电子学突破
由劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)领导的一个国际研究小组拍摄了第一张原子分辨率图像，并展示了手性界面状态的电子控制——这是一种奇异的量子现象，可以帮助研究人员推进量子计算和节能电子技术。
揭示手性界面状态
手性界面状态是一个导电通道，它允许电子只在一个方向上移动，防止它们向后散射，从而产生浪费能量的电阻。研究人员正在努力更好地了解实际材料中手性界面状态的性质，但将其空间特征可视化已被证明是非常困难的。
但是现在，伯克利实验室和加州大学伯克利分校的一个研究小组第一次捕获了原子分辨率的图像，直接可视化了手性界面状态。研究人员还演示了在二维绝缘体中按需创建这些无电阻导电通道。
由单层-双层石墨烯制成的量子反常霍尔绝缘体中手性界面态波函数(明亮条纹)的扫描隧道显微镜图像。来源:张灿勋/伯克利实验室
推进量子材料应用
他们的工作发表在《自然物理学》杂志上，是伯克利实验室推动量子计算和其他量子信息系统应用的更广泛努力的一部分，包括设计和合成量子材料以解决紧迫的技术需求。
“以前的实验已经证明了手性界面状态的存在，但没有人能够以如此高的分辨率将它们可视化。“我们的工作首次展示了这些一维状态在原子尺度上的样子，包括我们如何改变它们——甚至创造它们，”第一作者张灿勋说，他是伯克利实验室材料科学部和加州大学伯克利分校物理系的前研究生研究员。他现在是加州大学圣巴巴拉分校的博士后研究员。
创新技术和未来应用
手性界面状态可以发生在某些类型的二维材料中，称为量子反常霍尔(QAH)绝缘体，这种绝缘体是块状的，但在一维“边缘”(材料的物理边界和与其他材料的界面)无电阻地传导电子。
为了制备手性界面状态，该团队在伯克利实验室的分子铸造厂工作，制造了一种称为扭曲单层-双层石墨烯的设备，它是由两个原子薄的石墨烯层堆叠而成的，它们彼此精确地旋转，形成了一个显示QAH效应的波纹超晶格。
扫描隧道显微镜图像显示了二维器件中由扭曲单层-双层石墨烯制成的QAH绝缘体中的手性界面态波函数(明亮条纹)。通过调制放置在石墨烯层下方的栅电极上的电压，可以在样品上移动界面。来源:张灿勋/伯克利实验室
在随后的加州大学伯克利分校物理系的实验中，研究人员使用扫描隧道显微镜(STM)检测样品中的不同电子状态，使他们能够可视化手性界面状态的波函数。其他实验表明，通过调节置于石墨烯层下方的栅极上的电压，手性界面状态可以在样品中移动。在最后的控制演示中，研究人员展示了来自STM探针尖端的电压脉冲可以将手性界面状态“写入”到样品中，擦除它，甚至重写一个电子朝相反方向流动的新状态。
潜在影响及零非政府组织的研究
这一发现可能有助于研究人员构建可调谐的电子通道网络，有望在未来用于节能微电子和低功耗磁存储设备，以及利用QAH绝缘体中的奇异电子行为进行量子计算。
研究人员打算用他们的技术来研究相关材料中更多的奇异物理，比如任意子，一种新型的准粒子，可以实现量子计算。
“我们的研究结果提供了以前不可能的信息。还有很长的路要走，但这是很好的第一步。”
参考文献:“moir
量子异常霍尔绝缘体中手性界面态的操纵”，作者:张灿xun，朱天聪，Salman Kahn, Tomohiro Soejima, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Alex Zettl, Wang Feng, Michael P. Zaletel和Michael F. Crommie, 2024年3月13日，Nature Physics。DOI: 10.1038 / s41567 - 024 - 02444 - w
这项工作是由伯克利实验室材料科学部的高级教师科学家、加州大学伯克利分校的物理学教授迈克尔·克罗姆米领导的。
朱天琮，伯克利实验室和加州大学伯克利分校克罗姆小组前博士后研究员，共同通讯作者，现为普渡大学物理学教授。
分子铸造厂是美国能源部科学办公室在伯克利实验室的用户设施。
这项工作得到了美国能源部科学办公室的支持。额外的资金由美国国家科学基金会提供。
