“重費(fèi)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(xiǎn)的放射性化合物中觀察到?！段锢碓u論快報(bào)》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(fèi)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?yàn)樗鼈冿@示出獨(dú)特的量子特性，迄今為止，這些特性仍然完全無法用于日?；衔?。這些材料最顯著和奇異的特性之一是奇異超導(dǎo)狀態(tài)的出現(xiàn)，尤其是構(gòu)建未來拓?fù)淞孔佑?jì)算機(jī)所需的超導(dǎo)狀態(tài)。雖然這些被稱為重費(fèi)米子超導(dǎo)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(shù)仍然是一個(gè)非常開放的挑戰(zhàn)。這是因?yàn)檫@些材料含有嚴(yán)重的放射性化合物，例如鈾和钚，使它們在現(xiàn)實(shí)世界的量子技術(shù)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(shè)計(jì)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(jié)果展示了如何通過組合三個(gè)扭曲的石墨烯層來產(chǎn)生稱為“重費(fèi)米子”的量子態(tài)。重費(fèi)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(shí)際質(zhì)量大得多。之所以會(huì)這樣表現(xiàn)，是因?yàn)楠?dú)特的量子多體效應(yīng)，直到現(xiàn)在，這種效應(yīng)大多只在稀土化合物中觀察到。眾所周知，這種重費(fèi)米子行為是將這些材料用于拓?fù)淞孔佑?jì)算所需現(xiàn)象的驅(qū)動(dòng)力。這一新結(jié)果展示了一種僅使用碳來實(shí)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(shù)中的重費(fèi)米子物理學(xué)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(xué))撰寫的論文中，研究人員展示了如何用廉價(jià)的非放射性材料制造重費(fèi)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(xué)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(dú)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(gè)薄片相對于另一個(gè)旋轉(zhuǎn)，研究人員可以產(chǎn)生量子特性效應(yīng)，導(dǎo)致石墨烯中的電子表現(xiàn)得像重費(fèi)米子。

“直到現(xiàn)在，重費(fèi)米子超導(dǎo)體在拓?fù)淞孔佑?jì)算中的實(shí)際應(yīng)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(yuǎn)非理想的應(yīng)用，”拉多教授說。“在這項(xiàng)工作中，我們表明，人們可以通過石墨烯實(shí)現(xiàn)完全相同的物理學(xué)。雖然在這項(xiàng)工作中，我們只展示了重費(fèi)米子行為的出現(xiàn)，但解決拓?fù)涑瑢?dǎo)性的出現(xiàn)是自然而然的下一步，這可能有可能對拓?fù)淞孔佑?jì)算具有開創(chuàng)性的影響。”

拓?fù)涑瑢?dǎo)是量子技術(shù)的一個(gè)重要課題，阿爾托大學(xué)應(yīng)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(jié)果可能為開發(fā)量子技術(shù)中的重費(fèi)米子現(xiàn)象提供了一個(gè)基于碳的平臺(tái)，而不需要稀土元素，”拉多教授總結(jié)道。

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