Empa研究人员及其国际合作者成功地将碳纳米管电极连接到单个原子级精确纳米带上。

　　量子技术前景广阔，但也充满了复杂性。预计在未来几十年里，量子技术将带来一系列技术进步，为我们提供更紧凑、更精确的传感器，更强大、更安全的通信网络，以及更大容量的计算机。这些进步将超越现有计算技术的能力，有助于快速开发新药物和新材料、控制金融市场和加强天气预报。
　　要实现这些优势，我们需要所谓的量子材料，它们能显示出显著的量子物理效应。石墨烯就是这样一种材料。这种碳的二维结构形式具有不同寻常的物理特性，例如超高的拉伸强度、导热性和导电性，以及某些量子效应。进一步限制这种二维材料，例如使其具有带状形状，就会产生一系列可控的量子效应。
　　这正是Mickael Perrin团队在工作中所利用的：几年来，在Michel Calame的领导下，瑞士联邦材料科学与技术实验室（Empa）纳米界面传输实验室的科学家们一直在开展石墨烯纳米带的研究。Perrin解释说：“石墨烯纳米带甚至比石墨烯本身更令人着迷。通过改变石墨烯纳米带的长度和宽度、边缘形状以及添加其他原子，可以赋予它们各种电学、磁学和光学特性。”
　　极致精确——精确到单个原子
　　研究前景广阔的纳米带并非易事。纳米带越窄，其量子特性就越明显，但同时也更难同时获得单个纳米带。要了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，就必须这样做。
　　在最近发表在《自然-电子学》（Nature Electronics）杂志上的一项新研究中，Perrin和Empa研究员张健以及一个国际团队首次成功地接触到了单个长的、原子精度高的石墨烯纳米带。张建说：“仅有9个碳原子宽的石墨烯纳米带宽度仅为1纳米。为了确保只接触到一条纳米带，研究人员采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。”
　　对于如此精细的实验来说，精度是关键。首先是原材料。研究人员通过与Roman Fasel领导的实验室的长期紧密合作，获得了石墨烯纳米带。“Roman Fasel和他的团队长期从事石墨烯纳米带的研究工作，可以从单个前驱体分子中以原子精度合成多种不同类型的石墨烯纳米带。”Perrin解释说。前驱体分子来自德国马克斯-普朗克聚合物研究所。
　　正如推动技术进步通常所要求的那样，跨学科是关键，不同的国际研究小组都参与其中，各自发挥专长：碳纳米管是由北京大学的一个研究小组培育出来的，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进行了合作。
　　用纳米管接触单个碳带给研究人员带来了巨大的挑战。张健解释说：“碳纳米管和石墨烯纳米带分别生长在不同的基底上。首先，纳米管需要转移到设备基底上，并与金属电极接触。然后，我们用高分辨率电子束光刻技术对其进行切割，将其分成两个电极。最后，我们将纳米带转移到同一基板上。精度是关键，即使是基板最轻微的旋转也会大大降低成功接触的概率。能够使用位于吕施里孔的IBM研究院宾尼格和罗赫尔纳米技术中心的高质量基础设施，对于测试和实施这项技术至关重要。”
　　从计算机到能量转换器
　　科学家们通过电荷传输测量确认了实验的成功。由于量子效应通常在低温下更为明显，因此在接近绝对零度的高真空环境下进行了测量。但他们很快又补充了石墨烯纳米带的另一个特别有前景的特性“由于这些纳米带的尺寸极小，我们预计它们的量子效应将非常强大，甚至在室温下也能观察到。”研究人员说，这将使他们能够设计和运行主动利用量子效应的芯片，而无需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：“这个项目能够实现单个纳米带器件，不仅可以研究基本量子效应，如电子和声子在纳米尺度上的行为方式，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等方面进行应用。”
　　石墨烯纳米带尚未准备好投入商业应用，仍有许多研究工作要做。在后续研究中，张健和Perrin的目标是在单个纳米带上操纵不同的量子态。此外，他们还计划在串联的两条纳米带的基础上创建设备，形成所谓的双量子点。这样的电路可以作为量子计算机中最小的信息单位——量子比特。此外，Perrin 最近还获得了欧洲研究理事会（ERC）的启动资助（Starting Grant）和瑞士国家科学基金会（SNSF）的教授奖学金（Sccellenza Professorial Fellowship），他计划将纳米带用作高效能源转换器。在苏黎世联邦理工学院的演讲中，他描绘了这样一个世界：我们可以利用温差发电，同时几乎不会损失任何热能——这将是一个真正地质的飞跃。 （逸文）