石墨烯的蝴蝶效應在量子科技上掀起風暴

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石墨烯是一種由碳原子排列成蜂巢狀單層結構的材料,自2004年被成功分離後,由於它優異的物理特性,引起了材料科學的革命,科學家紛紛投入石墨烯的研究,在2024年2月,新加坡國立大學的研究團隊在《自然化學》(Nature Chemistry) 上發表了一項革命性成果,他們透過將石墨烯修飾成蝴蝶形狀,使其同時具有鐵磁性和反鐵磁性,而當中的電子則具有高度的量子自旋糾纏,這一發現被認為是量子科技發展的重大突破,有望成為新一代量子材料的基礎,推動量子計算和通信技術的進步。

撰文|黃鼎鈞

石墨烯是一種由碳原子排列成蜂巢狀單層結構的材料,自2004年被成功分離出來後,因獨特的物理性質,包括極高的導電性、機械強度和柔韌性,使其成為各種電子工程應用的理想材料,引起了材料科學的革命,更多關於石墨烯的介紹可以參考《市面上的石墨烯產品,真的有那麼厲害嗎?》。不只石墨烯本身的特殊物理性質,由於石墨烯的結構簡單,也提供了一個平臺使科學家能夠透過對材料的「修飾」,使石墨烯產生其他的功能。在2024年2月,新加坡國立大學 (National University of Singapore, NUS) 在《自然化學》(Nature Chemistry) 上發表了一項突破性的研究成果,他們將石墨烯修飾成「蝴蝶形狀」,竟然可以使石墨烯同時產生鐵磁性、反鐵磁性,且材料之中的電子具有高度的量子自旋糾纏,被期待能成為量子科技發展的革命性材料。

圖1:蝴蝶型石墨烯示意圖,透過此特殊結構,處在石墨烯邊緣的電子能展現出自旋特性,使整個系統帶有鐵磁性及反鐵磁性,且電子之間能產生量子糾纏|來源:National University of Singappore

 

具有磁性的蝴蝶型石墨烯

傳統磁性材料主要依賴於重金屬中的d或f軌道電子來實現磁性,如常見的鐵、鈷及鑷,然而,這些材料在實現量子計算時存在著一些限制,首先,d或f軌道上具有較多的電子,這些電子之間的交互作用將使得電子自旋狀態被干擾,使得量子狀態在短時間內就消失了,另外,重金屬的製備和加工成本較高,且對環境也有一定的汙染,因此基於功能與保護環境的考量,科學家希望能找到更優異且環保的材料,而蝴蝶形石墨烯可能就是科學家要尋找的解方,蝴蝶型石墨烯存在著四個未成對的電子,因著蝴蝶型的特殊結構,這些電子產生了「拉扯」和「推擠」,這樣的相互作用竟讓電子產生了特定方向的排列,使石墨烯產生了獨特的磁性。若把人比喻成電子的話,就像是一群人擠進去電梯裡面時,在這狹窄的空間中,大家在裡面會找尋一個特定的方向,好挪出更多的空間,也讓自己待的舒適,但若一個人搭電梯時,可能忽而看鏡子整理儀容,忽而看樓層介紹,轉來轉去的沒有方向。不僅如此,這些具有自旋的電子彼此還存在著強烈的糾纏現象,這正是在量子科技發展的基礎之一。在永續環境的觀點上,由於石墨烯僅由碳原子組成,碳原子不像金屬會對環境造成汙染,畢竟地球上的生物本身就是碳基組成的啊!

圖2:兩個p軌域形成一個π鍵,對應的軌域稱為π軌域|來源:Wikimedia Commons

 

蝴蝶型石墨烯背後的物理機制

蝴蝶型石墨烯之所以能產生磁性,背後有著複雜的機制,主要來自兩個重要的物理模型,第一是「單占分子軌道」(Singly Occupied Molecular Orbital),另一則是「拓樸挫折」(Topological Frustration)。單占分子軌道是一種分子軌道理論,意思是在一個能量最低的軌道中,只有一個未配對的電子存在,而這個未配對的電子能為材料帶來磁性,同時,這一個「孤單」的電子,具有高度的反應活性,容易參與其他的化學反應,這電子就像是在派對中落單的帥哥或美女,容易引人注目呢!事實上,這樣的狀態來自於更底層的物理機制,也就是「拓樸挫折」,在材料產生特殊的幾何結構時,自旋系統會產生競爭性的相互作用,像是在一個等邊三角形的晶格中,處在三個頂點上的自旋都希望與鄰近自旋反平行對齊,但這是不可能的事情,因此無法滿足所有自旋的需求,導致所有自旋產生一種「退化」,大家都跑回去了「基態」,也就是「單占分子軌道」之中,因而產生了複雜的磁性行為。回到剛剛派對的故事,當一個帥哥只能與一個美女約會,帥哥卻同時去搭訕兩位美女時,這位帥哥不專情的行為將導致三人僵持不下,三人只好回到各自的「基態」座位,三人同時感到「挫折」,卻又散發著「磁性魅力」,讓整個派對產生了一種特別的氛圍,就像讓整個材料系統產生奇異的量子現象一樣。不僅如此,回到座位的三人仍常常遙望著彼此,還會產生「量子糾纏」,當其中一方有些動作時,另一方也會跟著有反應,所以,拓撲挫折的存在將導致材料系統產生許多新穎的量子現象,是科學家一直在研究,也期待能夠應用在量子科技上的物理機制。

圖3:網路知名迷因,拓樸挫折就像是三個人不能一起約會,若是像是中間的男子分心的話,最終大家都將成為一個人,而在系統終將成為三個單獨的電子,且形成複雜的相互作用,產生特殊的量子現象|來源:Wikimedia Commons

從石墨烯第一次被分離出來至今已有20年的時間,從它產生的物理性質一次又一次的驚艷著科學家,也使得許多科學家爭相的投入研究,直到近年它的超導性、磁性以及其他量子現象不斷地被挖掘出來,這簡單的碳原子結構,到底還能被科學家玩出什麼花樣,又能如何的創新人類目前的科技,讓我們拭目以待。

 


參考文獻

  1. Song, S., Pinar Solé, A., Matěj, A., Li, G., Stetsovych, O., Soler, D., ... & Lu, J. (2024). Highly entangled polyradical nanographene with coexisting strong correlation and topological frustration. Nature Chemistry, 1-7.
  2. Jemmis, E. D., Pathak, B., King, R. B., & Schaefer Iii, H. F. (2006). Bond length and bond multiplicity: σ-bond prevents short π-bonds. Chemical communications, (20), 2164-2166.
  3. Wang, W. L., Yazyev, O. V., Meng, S., & Kaxiras, E. (2009). Topological frustration in graphene nanoflakes: magnetic order and spin logic devices. Physical review letters, 102(15), 157201.

 


延伸閱讀:《新時代的濾網:從病毒到海水都能過濾的石墨烯》《石墨烯與它的好朋友——六角硼氮》、《市面上的石墨烯產品,真的有那麼厲害嗎?》、《轉角電子學:超導與絕緣自由切換的轉扭

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