據美國麻省理工學院網站近日報道，該校科學家通過研究發現，在某些極端情況下，可將石墨烯轉化為具有獨特功能的拓撲絕緣體，有望為量子計算機的制造提供新思路。相關研究發表在本周出版的《自然》雜志上。

研究人員發現，將石墨烯薄片置于強度為35特斯拉磁場和比絕對零度高0.3攝氏度的低溫環境中，可使石墨烯的導電性能發生改變，讓其根據電子自旋的方向對電子進行過濾，而這點是目前任何傳統電子系統都無法做到的。

在典型條件下，石墨烯表現為正常導體，對其施加電壓，電流從其上通過。但如果將一片石墨烯置于與其垂直的磁場中，石墨烯的特性就會發生改變——電流只會沿著石墨烯薄片的邊緣運行，其他部分則變為了絕緣體。此外，這時的電流只會根據磁場的方向沿著一個方向前進。這種現象被稱為量子霍爾效應。

在新的研究中，研究人員發現，如果在上述情況下再增加一個與石墨烯放置位置水平的強磁場，石墨烯的特性會再次發生改變：電子仍只能沿石墨烯的邊緣運行，但運行的方向由單向變成了雙向，而具體方向則由電子自旋的不同方向決定。

論文主要作者麻省理工學院物理系博士后安德烈·楊說：“我們創造了一種非比尋常的特殊導體。根據電子自旋的方向對電子進行分離是拓撲絕緣體常見的一項功能。但石墨烯并不是通常意義上的拓撲絕緣體。我們在不同的材料體系中獲得了同樣的效果。更重要的是，通過改變磁場，還可以隨時對電子運行的方向、通電與否的狀態進行控制。這意味著可以用它們制成電路和晶體管，這在此前還沒有實現過。”

麻省理工學院副教授巴勃羅·加洛里—埃雷羅說，此前曾經有人對石墨烯的這種特性進行過預測，但從沒有人將其實現。該研究首次證實了單片石墨烯對自旋電子具有選擇性；也首次證明了石墨烯能夠對電子運行的方向、通電與否的狀態進行控制。該實驗完成了一些研究人員數十年一直試圖實現而沒有獲得成功的工作，有望產生一種制造量子計算機的新方法。

參與此項研究的麻省理工學院物理學教授雷·埃紹瑞稱，這項研究為拓撲絕緣體的研究描繪了新的研究方向。他說：“我們無法預測這項發現會導致什么結果，但它拓寬了我們的思路，為多種設備的制造提供了可能。”

安德烈·楊說：由于需要極端的低溫和強磁環境，要實現這樣的要求并不容易，因此用該技術制造出的量子計算機將是一臺非常專業的設備，可能會首先用于高優先級的計算任務。下一步，他們將對石墨烯在較低的磁場（1特斯拉）和較高溫度下的表現進行測試，以期降低該技術的使用門檻。