新技術讓科學家創造出無電阻電子通道

主要要點

• 科學家首次獲得了一種奇異量子現象的原子級分辨率圖像，這可以幫助研究人員推進量子計算和節能電子學。

• 這項工作使得能夠在獨特的量子絕緣體中觀察和控制電子流。

• 這些發現可能有助於研究人員構建可調諧的電子通道網絡，這有望在未來實現高效的量子計算和低功耗磁性存儲設備。

由勞倫斯伯克利國家實驗室 (Berkeley Lab) 領導的一個國際研究團隊首次獲得了手性界面態的原子分辨率圖像，並證明了其電控制——這是一種奇異的量子現象，可以幫助研究人員推進量子計算和節能電子學。

手性界面態是一種導電通道，它允許電子僅沿一個方向傳輸，防止它們向後散射並造成浪費能量的電阻。研究人員正在努力更好地理解真實材料中手性界面態的特性，但可視化其空間特徵已被證明異常困難。

但是現在，伯克利實驗室和加州大學伯克利分校的一個研究團隊首次直接觀察到手性界面態的原子分辨率圖像。研究人員還證明了按需在二維絕緣體中創建這些無電阻導電通道。

他們的研究成果發表在《自然物理學》雜誌上，是伯克利實驗室更廣泛推進量子計算和其他量子信息系統應用的一部分，包括設計和合成量子材料以應對緊迫的技術需求。

「之前的實驗已經證明了手性界面態的存在，但從未有人以如此高的分辨率對其進行可視化。我們的研究首次展示了這些一維態在原子尺度上的樣子，包括我們如何改變它們——甚至創造它們。」本研究的第一作者、伯克利實驗室材料科學部和加州大學伯克利分校物理系的研究生研究員 Canxun Zhang 說。他現在是加州大學聖巴巴拉分校的博士後研究員。

手性界面態可以出現在某些類型的二維材料中，這些材料稱為量子反常霍爾 (QAH) 絕緣體，它們在體內是絕緣體，但在一維「邊緣」（材料的物理邊界以及與其他材料的界面）上卻可以無電阻地傳輸電子。

為了製備手性界面態，該團隊在伯克利實驗室的分子鑄造廠工作，製造了一種稱為扭曲單層-雙層石墨烯的器件，它是由兩層原子級薄的石墨烯堆疊而成，它們相對於彼此精確旋轉，從而產生表現出 QAH 效應的莫爾超晶格。

在加州大學伯克利分校物理系的後續實驗中，研究人員使用掃描隧道顯微鏡 (STM) 來檢測樣本中的不同電子態，從而使他們能夠可視化手性界面態的波函數。其他實驗表明，通過調節放置在石墨烯層下方的柵極電極上的電壓，可以將手性界面態移動到樣品中。在最後一次控制演示中，研究人員展示了來自 STM 探針尖端的電壓脈衝可以將手性界面態「寫入」樣本中，擦除它，甚至重新寫入一個電子沿相反方向流動的新界面態。

這些發現可能有助於研究人員構建可調諧的電子通道網絡，這有望在未來應用於節能微電子和低功耗磁性存儲設備，以及利用 QAH 絕緣體中奇異電子行為的量子計算。

研究人員打算利用他們的技術來研究相關材料中更奇特的物理現象，例如任意子，這是一種新型準粒子，它可以為量子計算提供一條途徑。

「我們的結果提供了以前不可能獲得的信息。還有很長的路要走，但這是一個良好的開端。」Zhang 說。

這項工作由伯克利實驗室材料科學部的資深教員科學家、加州大學伯克利分校物理學教授 Michael Crommie 領導。

Tiancong Zhu，伯克利實驗室和加州大學伯克利分校 Crommie 小組的前博士後研究員，作為共同通訊作者貢獻了這項研究，現在是普渡大學的物理學教授。

分子鑄造廠是伯克利實驗室的 DOE 科學辦公室用戶設施。

這項工作得到了 DOE 科學辦公室的支持。額外的資金由國家科學基金會提供。

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洛倫斯伯克利國家實驗室（Berkeley Lab）致力於通過清潔能源、健康地球和發現科學的研究來為人類提供解決方案。該實驗室成立於1931年，基於團隊能最佳解決重大問題的信念，伯克利實驗室及其科學家已獲得16項諾貝爾獎。來自全球的研究人員依賴該實驗室的世界一流科學設施進行他們的開創性研究。伯克利實驗室是一個多計畫國家實驗室，由加利福尼亞大學管理，隸屬於美國能源部的科學辦公室。

美國能源部的科學辦公室是美國物理科學基礎研究的最大單一支持者，並致力於應對我們時代的一些最緊迫的挑戰。部分資料參考自美國能源部與美國NSO團隊。