扭结状态控制或为量子电子学提供途径

开发量子电子器件的关键可能存在一些问题。据宾夕法尼亚州立大学研究人员领导的团队称，这对于制造和操作此类设备(包括先进的传感器和激光器)所需的精确控制来说并不是一件坏事。

研究人员制作了一个开关来打开和关闭扭结态，扭结态是半导体材料边缘的导电通路。通过控制扭结态的形成，研究人员可以调节量子系统中电子的流动。

“我们设想以扭结态为骨干构建一个量子互连网络，”团队负责人、宾夕法尼亚州立大学物理学教授朱军说道。朱军也是宾夕法尼亚州立大学二维层状材料研究中心的成员。

“这种网络可用于长距离传输片上量子信息，而传统的铜线无法实现这一点，因为它有电阻，因此无法保持量子相干性。”

该研究发表在《科学》杂志上，可能为研究人员继续研究扭结态及其在电子量子光学设备和量子计算机中的应用奠定基础。

“这种开关的工作原理与传统开关不同，传统开关通过门来调节电流，类似于通过收费站的交通，”朱说。“在这里，我们正在拆除和重建道路本身。”

扭结态存在于一种由伯纳尔双层石墨烯材料制成的量子装置中。这种材料由两层原子厚度的碳组成，碳层以这样一种方式堆叠在一起，即一层中的原子与另一层中的原子错位。这种排列方式与电场的使用相结合，产生了不同寻常的电子特性，包括量子谷霍尔效应。

这种效应指的是电子占据不同“谷”态(根据其能量与动量的关系确定)的现象，这些电子也朝相反的方向向前和向后移动。扭结态是量子谷霍尔效应的表现。

“我们的设备的神奇之处在于，我们可以使沿相反方向移动的电子不会互相碰撞(这称为背向散射)，即使它们共享相同的路径，”第一作者KeHuang说道，他是宾夕法尼亚州立大学在朱的指导下攻读物理学博士学位的研究生。

“这对应于对‘量化’电阻值的观察，这是扭结态作为量子线传输量子信息的潜在应用的关键。”

尽管朱实验室之前已经发表过关于扭结态的研究，但他们在当前工作中只是在提高了器件的电子清洁度之后才实现了量子谷霍尔效应的量化，这意味着他们移除了可能允许朝相反方向移动的电子发生碰撞的源。

他们通过将干净的石墨/六方氮化硼堆栈作为全局门(或可以允许电子流动的机制)纳入设备来实现这一点。

石墨和六方氮化硼都是常用作油漆、化妆品等润滑剂的化合物。石墨导电性好，而六方氮化硼是绝缘体。研究人员利用这种组合将电子限制在扭结状态并控制其流动。

黄说：“将石墨/六方氮化硼堆栈作为全局栅极对于消除电子背散射至关重要”，并指出这种材料的使用是当前研究的关键技术进步。

研究人员还发现，即使温度升至几十开尔文(科学温度单位)，扭结态的量化仍然保持不变。零开尔文相当于-460华氏度。

朱教授表示：“量子效应通常很脆弱，只能在几开尔文的低温下才能发挥作用。我们能使这一技术工作的温度越高，它就越有可能得到应用。”

研究人员通过实验测试了他们制造的开关，发现它可以快速、反复地控制电流。这增加了基于扭结态的量子电子器件库，这些器件有助于控制和引导电子——阀门、波导、分束器——这些器件之前由朱实验室制造。

朱教授表示：“我们开发了一种量子高速公路系统，它可以在不发生碰撞的情况下传输电子，可以编程来引导电流，而且具有可扩展性——所有这些都为未来探索该系统的基础科学和应用潜力奠定了坚实的基础。当然，要实现量子互连系统，我们还有很长的路要走。”

朱指出，她的实验室的下一个目标是展示电子在弯道州高速公路上行驶时如何表现得像相干波。

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