石墨烯的蝴蝶效應在量子科技上掀起風暴
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。
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！
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。
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
- 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.
- 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.
- 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》