设备制造。A， K22 堆栈的光学图像，包括蚀刻石墨底部分体栅极和用于对准的沟槽。白色虚线勾勒出石墨全局栅极 （GG）。B， A中黄色框内区域的AFM图像。在感兴趣的区域，表面没有聚合物残留物。通过 AFM 测量，分裂的宽度从 74 到 90 nm 不等。C， h-BN/BLG/h-BN堆栈转移后K22的光学图像。图片来源：科学（2024）。DOI： 10.1126/science.adj3742

发展量子电子学的关键可能有一些问题。根据宾夕法尼亚州立大学研究人员领导的一个团队的说法，当涉及到制造和操作此类设备（包括先进的传感器和激光器）所需的精确控制时，这并不是一件坏事。

研究人员制造了一个开关，用于打开和关闭扭结状态的存在，扭结状态是半导体材料边缘的导电路径。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来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。Zhu 还隶属于宾夕法尼亚州立大学的二维层状材料中心。

“这种网络可用于在长距离的芯片上传输量子信息，为此，经典的铜线无法工作，因为它具有电阻，因此无法保持量子相干性。

这项工作发表在《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器件和量子计算机中的应用提供基础。

“这种开关的操作方式与传统开关不同，传统开关的电流通过闸门进行调节，类似于通过收费广场的交通，”朱说。“在这里，我们正在拆除和重建道路本身。”

扭结态存在于由称为伯纳尔双层石墨烯的材料构建的量子器件中。这包括两层原子薄的碳，它们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。这种布置与电场的使用一起产生了不寻常的电子特性，包括量子谷霍尔效应。

这种效应是指电子占据不同“谷”状态的现象——根据它们相对于其动量的能量来识别——也以相反的前进和后退方向运动。扭结态是量子谷霍尔效应的表现形式。

“我们的设备的惊人之处在于，我们可以使电子向相反方向移动，而不是相互碰撞 - 这被称为反向散射 - 即使它们共享相同的路径，”第一作者Ke Huang说，他是一名研究生，在Zhu的指导下在宾夕法尼亚州立大学攻读物理学博士学位。

“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。”

虽然Zhu实验室之前曾发表过关于扭结态的文章，但他们在目前的工作中只是在提高了器件的电子清洁度后才实现了量子谷霍尔效应的量子化，这意味着他们去除了可能允许向相反方向移动的电子碰撞的源。

他们通过将干净的石墨/六方氮化硼堆栈作为全局栅极（或允许电子流动的机制）引入器件来做到这一点。

石墨和六方氮化硼都是通常用作油漆、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。研究人员使用这种组合将电子包含在扭结状态中并控制它们的流动。

“将石墨/六方氮化硼堆栈作为全局栅极对于消除电子反向散射至关重要，”黄说，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，即使温度升高到几十开尔文（温度的科学单位）时，扭结状态的量子化仍然存在。零开尔文对应于 -460 华氏度。

“量子效应通常是脆弱的，只能在几开尔文的低温下存活，”朱说。“我们可以使这项工作的温度越高，它就越有可能用于应用。

研究人员对他们制造的开关进行了实验测试，发现它可以快速、反复地控制电流。这增加了基于扭结状态的量子电子小部件的武器库，这些小部件有助于控制和指导电子 - 阀门，波导，分束器 - 以前由Zhu实验室构建。

“我们已经开发了一种量子高速公路系统，该系统可以在不碰撞的情况下携带电子，可以编程为直接电流流动，并且具有潜在的可扩展性 - 所有这些都为未来的研究奠定了坚实的基础，探索该系统的基础科学和应用潜力，”朱说。“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扭结的州际公路上行驶时如何表现得像相干波。

更多信息：Ke Huang 等人，具有量子化电阻和拓扑开关的高温量子谷霍尔效应，《科学》（2024 年）。DOI： 10.1126/science.adj3742

期刊信息： Science