特定条件下石墨烯可变身拓扑绝缘体 为制造量子计算机提供新思路

据美国麻省理工学院网站近日报道，该校科学家通过研究发现，在某些极端情况下，可将石墨烯转化为具有独特功能的拓扑绝缘体，有望为量子计算机的制造提供新思路。相关研究发表在本周出版的《自然》杂志上。

研究人员发现，将石墨烯薄片置于强度为35特斯拉磁场和比绝对零度高0.3摄氏度的低温环境中，可使石墨烯的导电性能发生改变，让其根据电子自旋的方向对电子进行过滤，而这点是目前任何传统电子系统都无法做到的。

在典型条件下，石墨烯表现为正常导体，对其施加电压，电流从其上通过。但如果将一片石墨烯置于与其垂直的磁场中，石墨烯的特性就会发生改变——电流只会沿着石墨烯薄片的边缘运行，其他部分则变为了绝缘体。此外，这时的电流只会根据磁场的方向沿着一个方向前进。这种现象被称为量子霍尔效应。

在新的研究中，研究人员发现，如果在上述情况下再增加一个与石墨烯放置位置水平的强磁场，石墨烯的特性会再次发生改变：电子仍只能沿石墨烯的边缘运行，但运行的方向由单向变成了双向，而具体方向则由电子自旋的不同方向决定。

论文主要作者麻省理工学院物理系博士后安德烈·杨说：“我们创造了一种非比寻常的特殊导体。根据电子自旋的方向对电子进行分离是拓扑绝缘体常见的一项功能。但石墨烯并不是通常意义上的拓扑绝缘体。我们在不同的材料体系中获得了同样的效果。更重要的是，通过改变磁场，还可以随时对电子运行的方向、通电与否的状态进行控制。这意味着可以用它们制成电路和晶体管，这在此前还没有实现过。”

麻省理工学院副教授巴勃罗·加洛里—埃雷罗说，此前曾经有人对石墨烯的这种特性进行过预测，但从没有人将其实现。该研究首次证实了单片石墨烯对自旋电子具有选择性；也首次证明了石墨烯能够对电子运行的方向、通电与否的状态进行控制。该实验完成了一些研究人员数十年一直试图实现而没有获得成功的工作，有望产生一种制造量子计算机的新方法。

参与此项研究的麻省理工学院物理学教授雷·埃绍瑞称，这项研究为拓扑绝缘体的研究描绘了新的研究方向。他说：“我们无法预测这项发现会导致什么结果，但它拓宽了我们的思路，为多种设备的制造提供了可能。”

安德烈·杨说：由于需要极端的低温和强磁环境，要实现这样的要求并不容易，因此用该技术制造出的量子计算机将是一台非常专业的设备，可能会首先用于高优先级的计算任务。下一步，他们将对石墨烯在较低的磁场（1特斯拉）和较高温度下的表现进行测试，以期降低该技术的使用门槛。