量子电子学的发展可能有些复杂。然而，研究人员建议，拥有一些“曲折”实际上可以增强创建和运行这些先进设备（包括传感器和激光器）所需的精确控制。由宾州州立大学的研究人员领导的团队创造了一种开关，可以切换曲折态的存在——这些曲折态是发现于半导体材料边缘的电导通道。
量子电子学的发展可能涉及一些复杂性。宾州州立大学的一个研究小组认为，这并非全然负面，因为这些“曲折”在实现构建和操作激光器和先进传感器等复杂设备所需的细致控制中起着关键作用。他们开发了一种能够打开和关闭曲折态的开关——这些态代表着位于半导体材料边缘的电导通道。通过管理曲折态的形成，团队可以控制量子环境中电子的运动。
“我们设想构建一个使用曲折态作为基本结构的量子互连网络，”首席研究员、宾州州立大学物理学教授朱俊说道。他还与宾州州立大学二维层状材料中心有关联。”这种类型的网络将促进在芯片上进行长距离量子信息传输，这正是经典铜线由于其电阻而无法实现的，电阻会破坏量子相干性。”
这项最近在《科学》期刊上发表的突破性工作可能为进一步探索曲折态及其在量子光学和计算中的意义奠定基础。
“我们的开关的工作方式不同于传统开关，传统开关通过一个门控制电流，就像在收费站指挥交通，”朱指出。”在我们的情况下，我们实际上是在修改通道本身。”
曲折态存在于由称为伯纳尔双层石墨烯的结构制成的量子设备中。它由两层超薄碳层叠加而成，这种排列的方式使得一个层中的原子以不同于另一个层的方式对齐。这种独特的排列，加上电场，产生了不同的电子特征，包括量子谷霍尔效应。
量子谷霍尔效应是电子占据各种“谷”态的结果，这些态以其能量水平与动量相关联，这些电子沿相反方向移动。曲折态是量子谷霍尔效应的一个可见结果。
“我们设备的一个显著之处在于我们可以让电子在同一路径上反向移动而不发生碰撞，这被称为反向散射，”本研究的第一作者、朱指导下的宾州州立大学物理学博士候选人黄可分享道。”这导致了一个’量子化’的电阻值，这对将曲折态用作量子电缆传输量子数据至关重要。”
尽管朱实验室之前已发布过关于曲折态的发现，但在本研究中，他们成功实现了量子谷霍尔效应的量子化，经过提高设备的电子纯度，有效消除了相反方向移动的电子之间可能发生的碰撞。这是通过引入一种干净的石墨/氮化硼组合作为全局门来完成的，这一组件对于管理电子在设备中的流动至关重要。
石墨和氮化硼是常见于化妆品和涂料中的润滑剂。虽然石墨导电性极佳，但氮化硼则起到绝缘体的作用。通过将这两者结合，团队成功将电子限制在曲折态内并引导其流动。
“使用石墨/氮化硼堆作为全局门对于防止电子反向散射至关重要，”黄强调，指出这种方法是他们研究中的一个重要进展。
研究人员还发现，即使温度上升到几十开尔文（科学中的温度单位，零开尔文为-460华氏度），曲折态的量子化仍然存在。
朱解释道，”通常情况下，量子现象是脆弱的，仅在接近几开尔文的低温下稳定。如果我们能在更高温度下实现这一点，将大大增加其实际应用的可能性。”
团队测试了他们的开关，发现它可以快速而反复地管理电流流动。这一创新为他们已经开发的基于曲折态的组件阵列，例如阀、波导和光束分离器，增添了新的成果。
朱表示，”我们正在构建一个能无碰撞传输电子的量子高速公路系统，实现电流流动方向控制，并且可能具有可扩展性——为未来研究这一系统的基础科学和应用可能性奠定了良好基础。” “重要的是要认识到，我们还有很长的路要走，才能实现完整的量子互连框架。”
朱提到，该团队的下一个重点是演示电子在穿越这些曲折态高速公路时表现为相干波的行为。
本研究的其他贡献者包括福海龙，前宾州州立大学的博士后和Eberly研究员，现在是中国浙江大学的助理教授；以及来自日本国家材料科学研究所的渡边健司和谷口隆。
这项研究得到了美国国家科学基金会、美国能源部、宾州州立大学Eberly研究奖学金、匹兹堡基金会的考夫曼新倡议、日本科学促进会和日本文部科学省的世界顶尖国际研究倡议的支持。
