宾夕法尼亚州立大学的研究人员正在开发先进的量子电子学，利用扭结态（kink states），这是在半导体材料中独特的电子通道。

这些状态可能构成量子互连网络的核心，对有效传输量子信息至关重要。研究团队在通过创新材料组合和设备设计来控制这些状态方面取得了重大进展，增强了可扩展量子电子学的潜力。

开发量子电子技术的关键可能包含一些波折。据宾夕法尼亚州立大学研究人员领导的研究团队称，在制造和操作这些设备（包括高级传感器和激光器）所需的精确控制方面，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态的存在，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，研究人员可以调控量子系统中电子的流动。

探索量子信息的扭结态

“我们设想构建一个以扭结态为主干的量子互连网络，”研究团队领导者、宾夕法尼亚州立大学物理学教授朱军（Jun Zhu）说。朱军还隶属宾夕法尼亚州立大学二维层状材料中心。“这种网络可能用于在芯片上进行长距离量子信息的传输，而经典的铜导线无法实现这一功能，因为它有电阻，因此无法保持量子相干性。”

这项研究最近发表在《科学》杂志上，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提供了基础。

开关力学与量子谷霍尔效应

“与传统开关不同，这里的电流通过门控调节，类似于收费广场的交通，”朱说。“在这里，我们正在移除并重建道路本身”。

在一种由名为Bernal双层石墨烯的材料制成的量子设备中，存在扭结态。这包括两层原子级薄的碳堆叠在一起，这样一层中的原子就会与另一层中的原子错位。这种排列，结合电场的使用，产生了不寻常的电子特性——包括量子谷霍尔效应。

这种现象是指占据不同“谷”态的电子（根据它们的能量与动量的关系确定）也在相反的前后方向上移动。扭结态是量子谷霍尔效应的表现。

先进材料集成与量子应用

第一作者、宾夕法尼亚州立大学物理学博士生黄可（音）在朱的指导下，对这项技术进行了研究，他说：“我们设备的神奇之处在于，我们可以让向相反方向移动的电子即使在同一条路径上也不会发生碰撞，这种现象被称为反向散射。这与观察到‘量子化’电阻值相对应，这对于利用扭结态作为量子线传输量子信息的潜在应用至关重要。”

虽然朱实验室之前已经发表了关于扭结态的研究，但他们仅在当前工作中在改善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，这意味着他们移除了可能使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/六方氮化硼堆作为全局门（或允许电子流动的机制）集成到器件中来实现这一点。

石墨和六方氮化硼都是常用的润滑剂，可用于油漆、化妆品等。石墨导电性良好，而六方氮化硼则是绝缘体。研究人员利用这种组合将电子限制在扭结态中并控制其流动。

量子电子学的未来方向

黄表示：“将石墨/六方氮化硼堆叠作为全局栅极对于消除电子反向散射至关重要”，他指出，这种材料的使用是当前研究的关键技术进展。

研究人员还发现，当温度提高到数十开尔文（温度的科学单位）时，扭结态的量子化仍然保持不变。零开尔文相当于华氏零下460度。

“量子效应通常是脆弱的，只有在几开尔文的低温下才能存活，”朱说。“我们能让这项工作在越高的温度下完成，它就越有可能被用于应用。”

研究人员对他们制造的开关进行了实验测试，发现它可以快速重复地控制电流流动。这为朱实验室之前建立的基于扭结态的量子电子元件（如电子阀、波导和波束分离器）提供了新的武器库，这些元件有助于控制和引导电子。

“我们开发了一种量子高速公路系统，该系统可以无碰撞地携带电子，可编程以引导电流流动，并可能实现可扩展性——所有这些都为未来研究该系统的基础科学和应用潜力奠定了坚实的基础，”朱表示。“当然，要实现量子互连系统，我们还有很长的路要走。”

朱表示，她所在实验室的下一个目标是展示电子在扭曲态高速公路上运行时如何表现出相干波的特性。

参考：2024年7月18日，《科学》杂志上发表的由黄科、傅海龙、渡边健次、谷口隆志和朱军共同撰写的论文《具有量子化电阻和拓扑开关的高温量子谷霍尔效应》。DOI：10.1126/science.adj3742

其他作者包括海龙·傅（Hailong Fu），他以前是宾夕法尼亚州立大学（Penn State）物理学博士后学者和埃伯利研究员（Eberly Fellow），现在是位于中国浙江大学的助理教授；以及日本国立材料科学研究所的渡边健治（Kenji Watanabe）和田中贵志（Takashi Taniguchi）。

美国国家科学基金会、美国能源部、宾夕法尼亚州立大学埃伯利研究奖学金、匹兹堡基金会考夫曼新计划、日本学术振兴会、日本文部科学省世界顶尖国际研究计划资助了这项研究。