背景：石墨烯，是時下頗受各界追捧的新材料之一。它是由單層碳原子構成的蜂窩狀結構，是世界上已知的最薄、最輕、最強的材料，被譽為“新材料之王“，對於整個產業的影響將是顛覆性的。目前，石墨烯已應用於許多科技領域，例如：柔性電子、高效晶體管、傳感器、新材料、電池、超級電容、半導體制造、新能源、通信、太赫茲技術、醫療等等。
石墨烯的導電性能非常好，甚至超過銅。石墨烯中的碳原子排列獨特，電子可以輕而易舉地高速通過，不容易產生散射，因此不會像其他導體一樣浪費許多能量。
然而，石墨烯優異的導電性能，也成為了它的重要侷限性：不適合應用於半導體。眾所周知，硅是如今最廣泛應用的半導體材料，它的帶隙足夠大，可以用於“開”或“關”電流。這種能力對於構成現代二進制計算機的關鍵元件晶體管來說至關重要。令人遺憾的是，石墨烯卻不具備這樣的帶隙。
然而，石墨烯納米帶卻可以突破這種侷限性，充分發揮石墨烯的半導體潛能。這種納米帶，只有幾個碳原子的寬度，一個碳原子的厚度。根據其形狀和寬度的不同，這種納米帶將具有不同的電子特性：導體、半導體、絕緣體。
為此，筆者曾介紹過瑞士聯邦材料測試與開發研究所（Empa）的研究人員與德國馬克斯普朗克聚合物研究所、美國加州大學伯克利分校的研究人員合作製造出寬度僅為1納米，長度為50納米的石墨烯納米帶，並製成只有幾個原子寬度的納米晶體管。
Empa 的研究人員與德國美因茨的馬克斯普朗克聚合物研究所（Max Planck Institute for Polymer Research）的同事們以及其他合作伙伴一起實現了一項關鍵性突破。他們通過獨特地改變石墨烯納米帶的形狀，成功地調整了它的特性。這項技術的獨特性在於，它不僅改變上述的常規特性，而且還可用於生成獨特的局域量子態。
未來，它將用於實現精準的納米晶體管，甚至在不久的未來還將用於量子計算機。團隊將相關研究成果發表在最近一期的《自然》雜誌上。
那麼，這項研究背後的機制又是怎樣的呢？如果石墨烯納米帶的寬度改變，在這個案例中，從7個原子變成9個原子的寬度，在轉變過程中會產生一個特殊的區域。因為兩個區域的電子特性，由於各自特殊的”拓撲“方式而變得不同，所以在過渡區域中產生了一個“受保護”因而非常健壯的新量子態。這種局部的電子量子態，現在可以成為生產定製的半導體、金屬或者絕緣體的基本組成部分，甚至可以作為量子計算機的組成部分。
Oliver Gröning 領導的 Empa 研究人員能夠證明，如果不同寬度的區域有規律地交替組成這些納米帶，通過大量的轉變，會形成一條具有自己獨特電子結構且相互連接的量子態鏈。令人興奮的事情是，這條鏈的電子特性根據不同分區的寬度而改變。這使得它們可以被精細地調整，從導體到具有不同帶隙的半導體。這個原理可以應用到不同類型的過渡區域，例如從7個原子到11個原子。
最上面的部分（第一行）：採用兩種不同的前體分子製造出混合的納米帶。左面（小）的前體分子製造出平滑的7個碳原子寬度的納米帶。大一點的前體分子製造出7到11個碳原子寬度的菱形分區。
原子力顯微法（AFM）（第二行）: 混合的石墨烯納米帶，中間具有5個“菱形”分區（7-11 分區），左邊和右邊是平滑的7個原子寬度的納米帶。黑色的比例尺是1納米。
掃描隧道顯微法（第三行）：菱形區域兩端的局域量子態（明亮區域）的顯微鏡圖像。分區與上面的AFM圖像相對應。
掃描隧道顯微圖像的仿真（第四行）：實驗中量子態如何出現在“菱形”分區兩端的理論預測。
近期還無法通過納米帶構造出量子計算機，目前仍然有許多研究需要開展。Gröning 表示：“通過單個量子態的針對性組合靈活地調整電子特性，代表著我們在生產超小型晶體管的新型材料方面取得了巨大飛躍。”這些材料在一般環境條件下很穩定，因此將在未來的應用開發中扮演重要角色。
Gröning 表示：“未來，利用這些鏈創造局域量子態，並用針對性的方式將它們連接到一起，也將極具潛力和吸引力，儘管這一潛力是否能被未來的量子計算機實際利用還有待觀察。在納米帶中創造局域拓撲狀態還是不夠的，納米帶也必須與其他材料，例如超導體，以某種方式耦合，從而實際滿足量子位的條件。”
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