“重費米子”是產(chǎn)生量子糾纏現(xiàn)象的一種有吸引力的理論方法，但直到最近才主要在危險的放射性化合物中觀察到。《物理評論快報》上的一篇新論文表明，可以在經(jīng)過巧妙修飾的石墨烯中制造重費米子，這種方法更便宜、更安全。

幾十年來，稀土化合物一直讓研究人員著迷，因為它們顯示出獨特的量子特性，迄今為止，這些特性仍然完全無法用于日常化合物。這些材料最顯著和奇異的特性之一是奇異超導狀態(tài)的出現(xiàn)，尤其是構建未來拓撲量子計算機所需的超導狀態(tài)。雖然這些被稱為重費米子超導體的特定稀土化合物已經(jīng)為人所知數(shù)十年，但利用它們制造可用的量子技術仍然是一個非常開放的挑戰(zhàn)。這是因為這些材料含有嚴重的放射性化合物，例如鈾和钚，使它們在現(xiàn)實世界的量子技術中使用有限。

新的研究現(xiàn)在揭示了一種替代途徑，可以僅用石墨烯來設計這些稀土化合物的基本現(xiàn)象，它沒有傳統(tǒng)稀土化合物的安全問題。新論文中令人興奮的結果展示了如何通過組合三個扭曲的石墨烯層來產(chǎn)生稱為“重費米子”的量子態(tài)。重費米子是一種粒子——在這種情況下是電子——表現(xiàn)得好像它的質(zhì)量比實際質(zhì)量大得多。之所以會這樣表現(xiàn)，是因為獨特的量子多體效應，直到現(xiàn)在，這種效應大多只在稀土化合物中觀察到。眾所周知，這種重費米子行為是將這些材料用于拓撲量子計算所需現(xiàn)象的驅(qū)動力。這一新結果展示了一種僅使用碳來實現(xiàn)這種效果的新的非放射性方法，為可持續(xù)地利用量子技術中的重費米子物理學開辟了道路。

在 Aline Ramires(瑞士保羅謝勒研究所)和 Jose Lado(阿爾托大學)撰寫的論文中，研究人員展示了如何用廉價的非放射性材料制造重費米子。為此，他們使用了石墨烯，這是一種單原子厚的碳層。盡管在化學上與普通鉛筆中使用的材料相同，但石墨烯的亞納米厚度意味著它具有出乎意料的獨特電氣特性。通過以特定模式將碳薄片層疊在一起，其中每個薄片相對于另一個旋轉，研究人員可以產(chǎn)生量子特性效應，導致石墨烯中的電子表現(xiàn)得像重費米子。

“直到現(xiàn)在，重費米子超導體在拓撲量子計算中的實際應用還沒有得到太多追求，部分原因是它需要含有鈾和钚的化合物，由于其放射性性質(zhì)，遠非理想的應用，”拉多教授說。“在這項工作中，我們表明，人們可以通過石墨烯實現(xiàn)完全相同的物理學。雖然在這項工作中，我們只展示了重費米子行為的出現(xiàn)，但解決拓撲超導性的出現(xiàn)是自然而然的下一步，這可能有可能對拓撲量子計算具有開創(chuàng)性的影響。”

拓撲超導是量子技術的一個重要課題，阿爾托大學應用物理系的其他論文中的替代策略也解決了這一問題，包括 Lado 教授之前的一篇論文。“這些結果可能為開發(fā)量子技術中的重費米子現(xiàn)象提供了一個基于碳的平臺，而不需要稀土元素，”拉多教授總結道。

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