EMPA（瑞士联邦材料科学与技术实验室）的研究人员以及美因茨马克斯普朗克聚合物研究所和其他合作伙伴的研究人员通过专门改变石墨烯纳米带（GNRs）的特性，成功地精确控制了石墨烯纳米带（GNRs）的性质。形状。这可用于产生特定的局部量子态，并且将来可用于精确的纳米晶体管或甚至可能用于量子计算。

该团队已经证明，如果窄石墨烯纳米带的宽度发生变化，在这种情况下从7到9个原子，在过渡时会产生一个特殊区域：因为这两个区域的电子特性在特殊的拓扑方式上有所不同，在过渡区域中产生“受保护的”并因此非常稳健的新量子态。这种局部电子量子态可以用作生产定制半导体，金属或绝缘体的基本组件 - 甚至可以用作量子计算机中的组件。

在OliverGröning领导下的Empa研究人员能够证明，如果这些色带是由具有不同宽度的规则交替区域构建的，则通过众多过渡产生一系列具有其自身电子结构的相互连接的量子态。令人兴奋的部分是链的电子特性根据不同部分的宽度而变化。这使得它们可以进行精细调整 - 从导体到具有不同带隙的半导体。该原理可以应用于许多不同类型的过渡区域。

“加利福尼亚大学伯克利分校的一个研究小组独立于我们得出了类似的结果，这一事实也凸显了这一发展的重要性，”格伦宁说。

基于这些新型量子链，未来可以制造出精密的纳米晶体管，这可以看作是纳米电子学的基础。纳米晶体管的“1”状态和“0”状态之间的切换距离实际上是否足够大取决于半导体的带隙 - 并且使用新方法，这几乎可以随意设置。

然而，实际上，这并不是那么简单：因为链具有所需的电子特性，所以几百甚至几千个原子中的每一个都必须在正确的位置。“这是基于复杂的跨学科研究，”格林宁说。“来自Dübendorf，Mainz，Dresden和Troy（美国）不同学科的研究人员共同合作 - 从理论上的理解和如何构建前体分子的具体知识，以及如何选择性地将表面上的结构生长到结构和电子分析中扫描隧道显微镜。“

超小晶体管被认为是明显的应用可能性。虽然技术上具有挑战性，但基于纳米晶体管的电子设备实际上与当今的微电子技术基本相同。由Empa研究人员生产的半导体纳米带将允许晶体管的通道横截面比现在通常制造的小1000倍。然而，还可以想象进一步的可能性，例如在自旋电子学或量子信息学领域。

这是因为不同宽度的石墨烯纳米带的结处的电子量子态也可以携带磁矩。这可以使得不像以前那样通过电荷处理信息，而是通过旋转 - 在比喻意义上处理状态的“旋转方向”。而且发展甚至可以更进一步。“我们观察到拓扑末端状态出现在某些量子链的末端。这提供了将它们用作所谓量子位元素的可能性 - 量子计算机中复杂的互锁状态，”OliverGröning解释说。

当然，在实现这些应用之前，需要进行大量研究。这些材料在环境条件下稳定的事实在未来应用的发展中起着重要作用。“链条创造局部量子态并以有针对性的方式将它们连接在一起的进一步发展潜力也令人着迷，”格林宁说。“然而，这种潜力是否真的可以用于未来的量子计算机还有待观察。在纳米带中创建局部拓扑状态是不够的 - 这些也必须与其他材料如超导体结合在一起。实际满足量子比特条件的方式。“