用石墨烯解锁无辐射量子技术

“重费米子”是产生量子纠缠现象的一种有吸引力的理论方法，但直到最近才主要在危险的放射性化合物中观察到。《物理评论快报》上的一篇新论文表明，可以在经过巧妙修饰的石墨烯中制造重费米子，这种方法更便宜、更安全。

几十年来，稀土化合物一直让研究人员着迷，因为它们显示出独特的量子特性，迄今为止，这些特性仍然完全无法用于日常化合物。这些材料最显着和奇异的特性之一是奇异超导状态的出现，尤其是构建未来拓扑量子计算机所需的超导状态。虽然这些被称为重费米子超导体的特定稀土化合物已经为人所知数十年，但利用它们制造可用的量子技术仍然是一个非常开放的挑战。这是因为这些材料含有严重的放射性化合物，例如铀和钚，使它们在现实世界的量子技术中使用有限。

新的研究现在揭示了一种替代途径，可以仅用石墨烯来设计这些稀土化合物的基本现象，它没有传统稀土化合物的安全问题。新论文中令人兴奋的结果展示了如何通过组合三个扭曲的石墨烯层来产生称为“重费米子”的量子态。重费米子是一种粒子——在这种情况下是电子——表现得好像它的质量比实际质量大得多。之所以会这样表现，是因为独特的量子多体效应，直到现在，这种效应大多只在稀土化合物中观察到。众所周知，这种重费米子行为是将这些材料用于拓扑量子计算所需现象的驱动力。这一新结果展示了一种仅使用碳来实现这种效果的新的非放射性方法，为可持续地利用量子技术中的重费米子物理学开辟了道路。

在 Aline Ramires(瑞士保罗谢勒研究所)和 Jose Lado(阿尔托大学)撰写的论文中，研究人员展示了如何用廉价的非放射性材料制造重费米子。为此，他们使用了石墨烯，这是一种单原子厚的碳层。尽管在化学上与普通铅笔中使用的材料相同，但石墨烯的亚纳米厚度意味着它具有出乎意料的独特电气特性。通过以特定模式将碳薄片层叠在一起，其中每个薄片相对于另一个旋转，研究人员可以产生量子特性效应，导致石墨烯中的电子表现得像重费米子。

“直到现在，重费米子超导体在拓扑量子计算中的实际应用还没有得到太多追求，部分原因是它需要含有铀和钚的化合物，由于其放射性性质，远非理想的应用，”拉多教授说。“在这项工作中，我们表明，人们可以通过石墨烯实现完全相同的物理学。虽然在这项工作中，我们只展示了重费米子行为的出现，但解决拓扑超导性的出现是自然而然的下一步，这可能有可能对拓扑量子计算具有开创性的影响。”

拓扑超导是量子技术的一个重要课题，阿尔托大学应用物理系的其他论文中的替代策略也解决了这一问题，包括 Lado 教授之前的一篇论文。“这些结果可能为开发量子技术中的重费米子现象提供了一个基于碳的平台，而不需要稀土元素，”拉多教授总结道。

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