锗烯纳米带为量子计算铺平了道路

如果你从二维色带开始，让它越来越窄，什么时候它不再是色带，而是开始成为一维线？乌得勒支大学和特文特大学的科学家们制造了由锗原子组成的单原子厚超薄纳米带

他们已经证明，这个系统具有惊人的特性，例如在量子计算中非常有用。他们的研究最近发表在《自然通讯》上

量子系统根据其维度具有不同的性质。二维纳米带具有与一维量子系统不同的性质。二维拓扑绝缘体因其独特的电子性质而处于凝聚态物理学的前沿。它们的内部是绝缘的，但有非常导电的边缘，电流在那里流动没有任何电阻

我们能再小一点吗

由于这些特性，拓扑绝缘体是量子计算和下一代低能电子学的候选材料。研究人员之一Pantelis Bampoulis说：“但是，当我们试图使设备更小、更高效时，仍有一些关键问题尚未得到解答。”

“比如，拓扑材料保持其二维特性的最小尺寸是多少？当我们变小时会发生什么？”Bampoulis继续说道。研究人员在他们的最新研究中使用由锗烯制成的纳米带解决了这些问题。锗烯是一层原子薄的锗原子，具有独特的拓扑性质

“在我们的工作中，我们制造了锗烯纳米带。这些结构只有几纳米宽，但有数百纳米长。使用锗烯纳米线，我们从理论和实验上研究了拓扑边态如何随着带越来越窄而变化，”由Bampoulis监督的博士生、该研究的第一作者Dennis Klaassen解释道

研究人员发现，纳米带在大约两纳米的临界宽度内保持其拓扑边缘状态。在这个宽度之下，发生了一些非凡的事情。通常在锗烯纳米带中发现的边缘态消失了，取而代之的是，出现了位于纳米带末端的新量子态。这些终态受到基本对称性的保护，表明一维拓扑绝缘体的出现

可能的量子应用

终态对缺陷和其他局部杂质非常稳定。这使得它们非常适合在量子应用中使用，例如，在开发抗误码量子位方面

“有趣的是，这些状态类似于马约拉纳零模，这是一种难以捉摸的粒子，自科学家预测以来一直让他们着迷。尽管我们没有解决马约拉纳尔零模问题，但我们的研究为探索具有强自旋轨道耦合的一维材料中的这种现象提供了一个模板，”Bampoulis说

Klaassen说：“最重要的是，制造过程使我们能够制造出拓扑边态的密集阵列，电流可以在其中流动而不会耗散，从而满足了低能耗电子产品的主要要求。” More information: Dennis J. Klaassen et al, Realization of a one-dimensional topological insulator in ultrathin germanene nanoribbons, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-57147-4

Journal information: Nature Communications