量子技術前景廣闊，但也充滿了複雜性。預計在未來幾十年裡，量子技術將帶來一系列技術進步，為我們提供更緊湊、更精確的感測器，更強大、更安全的通訊網絡，以及更大容量的電腦。這些進步將超越現有運算技術的能力，有助於快速開發新藥物和新材料、控制金融市場和加強天氣預報。

Empa 研究人員及其國際合作者成功地將碳奈米管電極連接到單一原子級精確奈米帶上。資料來源：Empa

要實現這些優勢，我們需要所謂的量子材料，它們能顯示出顯著的量子物理效應。石墨烯就是這樣一種材料。這種碳的二維結構形式具有不同尋常的物理特性，例如超高的拉伸強度、導熱性和導電性，以及某些量子效應。進一步限制這種已經是二維的材料，例如使其具有帶狀形狀，就會產生一系列可控制的量子效應。

這正是Mickael Perrin 團隊在工作中所利用的： 幾年來，在Michel Calame 的領導下，Empa 奈米界面傳輸實驗室的科學家們一直在進行石墨烯奈米帶的研究。Perrin 解釋說：”石墨烯奈米帶甚至比石墨烯本身更令人著迷。透過改變石墨烯奈米帶的長度和寬度、邊緣形狀以及添加其他原子，可以賦予它們各種電學、磁學和光學特性” 。

奈米帶的特性因其寬度和邊緣形狀而異。資料來源：Empa

極致精確–精確到單一原子

研究前景廣闊的奈米帶並非易事。奈米帶越窄，其量子特性就越明顯，但同時也更難同時獲得單一奈米帶。要了解這種量子材料的獨特特性和可能的​​應用，並將它們與集體效應區分開來，就必須這樣做。

在最近發表在《自然-電子學》（Nature Electronics）雜誌上的一項新研究中，Perrin 和Empa 研究員張健以及一個國際團隊首次成功地接觸到了單個長的、原子精度高的石墨烯奈米帶。張建說：”僅有9 個碳原子寬的石墨烯奈米帶寬度僅為1 奈米。為了確保只接觸到一條奈米帶，研究人員採用了類似尺寸的電極： 他們使用的碳奈米管直徑也只有1 奈米。”

對於如此精細的實驗來說，精度是關鍵。首先是源材料。研究人員透過與Roman Fasel 領導的Empa’s nanotech@ Surface s 實驗室的長期緊密合作，獲得了石墨烯奈米帶。”Roman Fasel 和他的團隊長期從事石墨烯奈米帶的研究工作，可以從單個前驅體分子中以原子精度合成多種不同類型的石墨烯奈米帶，”Perrin 解釋。前驅體分子來自美因茨的馬克斯-普朗克聚合物研究所。

正如推動技術進步通常所要求的那樣，跨學科是關鍵，不同的國際研究小組都參與其中，各自發揮專長： 碳奈米管是由北京大學的一個研究小組培育出來的，為了解釋研究結果，Empa 的研究人員與華威大學的計算科學家進行了合作。

具有原子級精確邊緣的極窄帶錶現出強烈的量子效應，令研究人員特別感興趣。資料來源：Empa

用奈米管接觸單一碳帶給研究人員帶來了巨大的挑戰。張解釋說：”碳奈米管和石墨烯奈米帶分別生長在不同的基底上。首先，奈米管需要轉移到設備基底上，並與金屬電極接觸。然後，我們用高解析度電子束光刻技術對其進行切割，將其分成兩個電極。最後，我們將奈米帶轉移到同一基板上。精度是關鍵： 即使是基板最輕微的旋轉也會大大降低成功接觸的機率。能夠使用位於呂施裡孔的IBM研究院賓尼格和羅赫爾奈米技術中心的高品質基礎設施，對於測試和實施這項技術至關重要。”

從電腦到能量轉換器

科學家透過電荷傳輸測量確認了實驗的成功。由於量子效應通常在低溫下更為明顯，因此我們在接近絕對零度的高真空環境下進行了測量。但他很快又補充了石墨烯奈米帶的另一個特別有前景的特性：”由於這些奈米帶的尺寸極小，我們預計它們的量子效應將非常強大，甚至在室溫下也能觀察到。”這位研究人員說，這將使我們能夠設計和運行主動利用量子效應的晶片，而無需複雜的冷卻基礎設施。

參與此計畫的華威大學教授Hatef Sadeghi 補充說：”這個計畫能夠實現單一奈米帶裝置，不僅可以研究基本量子效應，如電子和聲子在奈米尺度上的行為方式，還可以利用這種效應在量子開關、量子感測和量子能量轉換等方面進行應用。”

石墨烯奈米帶尚未準備好投入商業應用，仍有許多研究工作要做。在後續研究中，張和Perrin 的目標是在單一奈米帶上操縱不同的量子態。此外，他們還計劃在串聯的兩條奈米帶的基礎上創建設備，形成所謂的雙量子點。這樣的電路可以作為量子電腦中最小的資訊單位–量子位元。此外，Perrin最近還獲得了歐洲研究理事會（ERC）的啟動資助（Starting Grant）和瑞士國家科學基金會（SNSF）的教授獎學金（Sccellenza Professorial Fellowship），他計劃將奈米帶用作高效能能源轉換器。在蘇黎世聯邦理工學院的就職演說中，他描繪了這樣一個世界：我們可以利用溫差發電，同時幾乎不會損失任何熱能–這將是一個真正的質的飛躍。

國際合作

多個研究小組為此計畫做出了重要貢獻。石墨烯奈米帶是由Roman Fasel 領導的Empa 奈米技術@表面實驗室根據美因茨馬克斯-普朗克聚合物研究所的Klaus Müllen 團隊提供的前體分子生長出來的。

這些奈米帶由Michel Calame 領導的Empa 奈米級界面傳輸實驗室的成員整合到奈米加工設備中，Mickael Perrin 的研究團隊也在其中。這項特殊研究所需的精確排列的高品質碳奈米管由北京大學張進研究小組提供。最後，為了解釋研究結果，Empa 的研究人員在Hatef Sadeghi 的指導下，與華威大學的計算科學家進行了合作。