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存储量子信息量翻倍！五层石墨烯中发现罕见的电子态

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发布时间：2023-12-14

光子盒研究院

 

石墨烯拥有许多非凡的特性，现在，美国的研究人员发现了石墨烯的另一个特性：一种被称为“多铁性”（multiferroicity）的罕见电子状态，可以使未来基于石墨烯的设备中存储的信息量翻倍。

 

这种只有在五层石墨烯堆叠在一起时才会出现的状态，可以用来设计超低功耗、大容量和高速数据存储系统，用于经典计算和量子计算。

 

石墨烯是一种由碳原子组成的二维晶体，呈蜂窝状排列，它的一些惊人特性，如高导电性和超强强度，早在2004年首次合成之前就已被人们所认识。最近，科学家们发现，将石墨烯堆叠成多层会产生一系列不同寻常的电子行为，包括超导性和“扁平”（flat）电子带。

 

鞠龙

 
物理学家鞠龙（Long Ju）领导的麻省理工学院（MIT）研究小组现在又增加了石墨烯的不寻常行为，他们发现，当石墨烯堆叠成五层时，这种材料会表现出一种罕见的多铁性状态。
 
更具体地说，这种五层石墨烯同时表现出非常规的磁性和一种奇特的电子行为，研究人员将其命名为“铁谷性”（ferro-valleytricity）。
 
 
当石墨烯以五层斜方体图案堆叠在一起时，就会呈现出一种罕见的“多铁性”状态，既表现出非常规的磁性，又表现出一种被称为“铁谷性”的奇特电子行为
 
 
铁性材料是指那些在电、磁或结构特性方面表现出自发有序性的材料。
 
最著名的铁性例子是铁磁性，在这种情况下，材料的磁矩都指向一个方向，但也可能出现其他类型的铁性排序。例如，在铁电性中，自发排列的是电极化，而铁弹性材料则显示自发应变。
 
当一种材料的几种特性都有各自的优先态时，就会产生多铁性。例如，磁性多铁性材料的磁矩可能会指向一个方向，而电荷也会向某个方向移动。重要的是，这两种现象是相互独立的。
 
这种材料对于电子产品来说非常有趣，因为与传统设备相比，它们可以将可存储的信息量增加一倍，同时运行速度更快。这是因为磁畴可以通过快速、低功耗的电场进行切换，而不是像传统磁畴那样通过电流（一个高能耗和相对缓慢的过程）进行切换。
 
 
在这项发表在《自然》（Nature）杂志上的新研究中，鞠龙及其同事通过计算发现，在由五层石墨烯层叠而成的斜方体结构中，应该会出现一种协调行为（coordinated behaviour）。在这种结构中，电子移动非常缓慢，因此它们之间的相互作用更加有效。
 
鞠龙解释说，正因为如此，电子开始相互关联并协调成“某些优先的铁序（ferroic order）”。
 
在真实的五层石墨烯上进行的实验证实了这一假设。在这些研究中，研究小组测量了样品中的电子在外加电场和磁场作用下的行为，出现了不同类型的协调铁性行为。
 
其中第一种行为是一种非传统形式的磁性，电子表现出协调的轨道运动。
 
谷极化半金属中的铁轨道磁性
 
第二种涉及石墨烯的所谓“电子谷”（electronic valley）。在导电材料中，电子可以占据一定的能级，而电子谷则代表了这些能级中的最低能态。
 
铁谷性
 
 
事实证明，石墨烯中存在两种可能的电子谷。
 
通常情况下，电子并不偏好其中任何一个谷，而是在两个谷中各占一半。“但我们发现，它们开始协调，更倾向于在一个谷而不是另一个谷中‘安家’。这种第二种协调行为表明了一种铁性，再加上电子的非传统磁性，使这种结构呈现出一种罕见的多铁性状态。”
 
由磁场和温度控制的铁谷性
 
轨道多铁性的电气控制
 
鞠龙补充说，这是首次观察到铁谷电性（ferro-valleytronics），也是首次看到铁谷电性与非常规铁磁性同时存在。
 
这两种铁磁特性都可以通过电场来控制。这意味着，如果将五层石墨烯集成到存储芯片中，其电子特性可以通过两种方式而不是一种方式进行操控，与传统材料相比，可存储的数据实际上增加了一倍。
 
不过，鞠龙提醒说，要实现这一点还有很多工作要做。
 
 
在纳米科学和量子技术领域，人们一直在寻找具有优异物理化学、电学和热学特性的新材料。石墨烯就是这样一种材料，自 2000 年代初被发现以来就受到了广泛关注。
 
什么是石墨烯？
 
自2004年被发现以来，石墨烯一直是科学研究的热门话题。
 
虽然石墨烯的发现、分离和研究归功于诺贝尔奖得主安德烈·盖姆（Andre Geim）和康斯坦丁·诺沃肖洛夫（Konstantin Novoselov），但在此之前的几十年里，人们一直在理论上推测石墨烯的存在。
 
石墨烯具有高导电性、柔韧性和强度等显著特性，因此已成为能源存储、医药、可穿戴技术、时尚和电子等多个领域的重要研究对象。
 
石墨烯的一些有利特性包括对所有波长的光都有很强的吸收能力，以及沿其平面具有高效的导电和导热性能。虽然石墨烯对光有很强的吸收能力，但单片石墨烯的薄度使其具有透明性。此外，从理论上讲，石墨烯是科学界已知的最坚固的材料。
 
除了二维形式的石墨烯，由两层石墨烯组成的双层石墨烯还能产生一种具有特殊机械、电气和光学特性的材料——这种形式的石墨烯已成为多个研究领域特别引人注目的材料。
 
虽然石墨烯在许多行业都有潜在的应用，但石墨烯研究中最引人入胜、最具创新性的新兴领域之一是其在量子技术中的应用。
 
从量子计算到基于石墨烯的纳米器件，石墨烯在量子研究的多个领域都有应用。例如，石墨烯量子点（GQD）已被用于高效能源存储和转换应用以及光学和电化学生物传感器的研究。
 
石墨烯量子点（GQD）
 
双层石墨烯量子点具有独特的化学和物理特性，其近乎完美的电子-空穴对称性使其成为量子计算的诱人目标。这种对称性使量子计算机拥有稳健的读出机制，而这正是这些器件的核心标准。
 
2022 年，QuTech公司的研究人员宣布开发出首个硅基自旋量子比特。该研究团队共研制出六个自旋量子比特。尽管基于石墨烯的自旋量子比特拥有巨大的潜力，但作者表示，还有很长的路要走。
 
与其他量子比特设计相比，拓扑量子比特不易受环境因素的影响而出错，因此具有更高的稳定性和可靠性。石墨烯能够在其边缘承载“零能量模式”，这是石墨烯在拓扑量子比特研究中最具吸引力的特性之一。
 
其他研究还将石墨烯与其他半导体材料结合，产生了混合量子比特系统；石墨烯还能改进量子计算的其他方面，如高效的单光子探测光电探测器。
 
将双层石墨烯应用于量子计算的关键障碍之一是量子比特状态测量的准确性。尽管已有大量研究利用低频电子技术实现了这一目标，但量子计算需要更快、更高效的系统来测量动态电状态。
 
因此，尽管石墨烯还处于起步阶段，但这一量子和纳米技术研究领域前景广阔，有望实现稳健、高效和高精度的下一代量子计算机。
 
参考链接：
[1]https://physicsworld.com/a/rare-electronic-states-appear-in-five-layer-graphene/
[2]https://www.nature.com/articles/s41586-023-05953-5
[3]https://www.nature.com/articles/natrevmats20166
[4]https://www.azonano.com/article.aspx?ArticleID=6595
 

 

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