- 北京大學研發的新方法可製造高純度石墨烯量子材料。
- 菱形石墨烯能承載穩定的奇異量子態，對量子計算有利。
- 新方法能在受控過程中生長ABC薄片，提升樣品純度。
- 未來可能將二維材料整合到AI晶片中，發揮其優勢。
北京大學的研究人員開發出一種改進的方法，以製造一種特殊的基於石墨烯的量子材料。如果進一步擴大和精煉，這一發現可能為未來製造更實用的量子計算機鋪平道路。根據他們的研究，團隊找到了一種可靠地製造菱形石墨烯的方法，其純度和尺寸尚未達到。團隊解釋説，這種形式的石墨烯非常珍貴，因為它可以承載奇異的量子態，同時保持穩定。一般而言，石墨烯由交錯堆疊的薄片組成，而所謂的 ABCABC 堆疊（也稱為菱形堆疊）被認為是最佳的。
菱形石墨烯的特性與挑戰
在此設置中，薄片向同一方向移動，然後再重複，這非常好但卻稀有且不穩定，因為它們有一種令人困擾的傾向，在不受控制的情況下降解為更穩定的 ABAB 堆疊。在菱形薄片中，電子在結構內的行為發生了根本性的改變。根據團隊的説法，這些電子異常強烈地相互作用，並且可以形成集體量子態，包括超導態和“量子霍爾相”。
這可能使它們成為有用的“拓撲”量子比特，可以用整體系統的狀態進行編碼，而不是單一脆弱的局部粒子。這樣可以使其內在地對噪聲更具抵抗力，而噪聲是量子計算中的主要障礙之一。在團隊的突破之前，研究人員基本上必須用膠帶剝離石墨，然後在薄片中搜尋，直到找到一個具有正確堆疊的樣本。據報導，這樣的樣本不到 1%。這對於個別物理實驗來説是完全足夠的，但顯然不是理想的製造方法。“基本上是用膠帶剝離薄片，然後在顯微鏡下搜尋那些隨機具有正確堆疊的樣本，而這些樣本少於 1%。
新製造方法的突破
”共同作者張志斌解釋道。然而，新的製造方法能夠在受控過程中“生長”ABC 薄片。為此，他們使用了一種帶有微觀步驟的氧化鋁表面，以指導堆疊。在此基礎上，添加了一種銅鎳合金，既作為催化劑又作為生長模板。然後，使用高温使碳組裝成石墨烯，並添加最後一步以“強迫”連續層保持位移，遵循 ABC 序列。
結果令人印象深刻。“我們生產的樣品純度超過 99%，最大尺寸為 160 × 80 微米，厚度可達 120 納米。”研究負責人劉凱輝表示。“我們可以根據需要調整層數，從幾十層到幾百層不等。”劉向《南華早報》解釋説，該材料提供了一個“優越的平台，用於研究量子現象，與類似材料相比，它的豐富性和加工便利性都是優勢”。“我們無法預測這種材料的發展潛力，但材料的準備是進一步研究的基礎。
如果未來出現應用，我們將準備好構建下一代量子設備。”他補充道。“二維材料在聲學薄膜和光刻機的熱導體方面已經有成熟的應用。”他補充道。“在晶片中，儘管我們還未見到大規模取代矽或碳化矽，但對於將二維材料整合到最關鍵的部分——例如 AI 晶片中最耗能的區域或記憶體晶片中最高密度的區域——的研究正在增長，以利用其獨特的優勢。”
展望未來，團隊計劃將更小的菱形石墨烯片段拼接在一起，以生產更大、適合設備的薄片。
新石墨烯材料對量子計算的潛力
北京大學的研究顯示，菱形石墨烯的獨特性質可能為量子計算帶來重大進展。這種材料的高純度和穩定性使其成為理想的量子比特，能有效抵抗計算過程中的噪聲，解決了量子計算中的一大挑戰。此外，隨著新製造方法的成熟，未來在量子設備上的應用前景廣闊，尤其是在AI晶片等高需求領域，可能會促進二維材料的更廣泛應用。