上海交大校友成功在石墨烯纳米带上设计电场可调拓扑相，在可控构建量子比特方面有潜在应用
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FUTURE | 远见 闵青云 选编
「我不仅收获到一篇一作论文，也磨练了心性。当第一次设计出掺杂的石墨烯纳米带结构成功实现电场可调拓扑，并观察到计算出的拓扑态符合预期时，既激动又有成就感。」
他是北京男孩赵方舟，今年 28 岁，是个业余喜欢弹肖邦钢琴曲的物理学博士。
赵方舟 | 图源：赵方舟
本科就读于上海交大，博士毕业于加州大学伯克利分校，目前在加州大学圣芭芭拉分校做博后研究。
前不久，其论文以《Topological Phases inGraphene Nanoribbons Tuned by Electric Fields》（电场调节的石墨烯纳米带中的拓扑相）为题发表在物理学顶刊 Physical Review Letters 上[1]。
相关论文 | 图源：Physical Review Letters
对于可调节相互作用的量子比特的建造来说，该研究具备一定潜在意义，也为石墨烯量子电子元器件的构建提出了新方法。
提出用横向电场调控石墨烯纳米带拓扑的新方法
该工作的研究背景在于，晶体中电子结构的拓扑结构，与能带结构和电子填充一样，对其电子性质起着至关重要的作用。
例如，连接两个具有不同拓扑不变量的半导体，在这些半导体的连接处会中产生受拓扑保护的局域化的电子态。最近几年，许多石墨烯纳米带包括扶手椅形边缘的石墨烯纳米带等，已被证明具有丰富的电子拓扑相，这取决于其宽度、边缘形状和末端终结方式。
此外，由前体分子自下而上合成石墨烯纳米带的快速发展，使得精确到每一个原子地设计石墨烯纳米带的结构成为可能，包括控制宽度、掺杂原子和不同的边缘形状。
图源：Physical Review Letters
实验中赵方舟发现，这种前体分子的合成方式已经在石墨烯纳米带异质结超晶格上发现并测量到了一维拓扑电子态组成的阵列，这是一个有趣的实验发现并在石墨烯纳米带电子元器件有潜在应用。
而实现材料的拓扑不变量的自由可调性一直是研究者在积极追求的有趣话题，因为它可以潜在地在电子元器件中实现可调性。
经研究发现，二维和三维半导体拓扑不变量的可调节性可以使用外部电场、拉伸应变、温度调节等方法来实现。
图源：Physical Review Letters
但是，在一维系统中调整拓扑相的方法仍然未被探索。在这项工作中，通过第一性原理的计算，赵方舟发现某些准一维系统的拓扑相位的调节，可通过一种外加横向电场的新方法来实现。
图源：Physical Review Letters
之前，科学家主要着眼于二维以及三维材料中的拓扑性质的研究。
2017 年，赵方舟的导师雷干城（Steven G. Louie）院士、Ting Cao 和他一起发现了石墨烯纳米带中的拓扑相，并计算了不同形状、不同宽度、不同掺杂的石墨烯纳米带相应的拓扑不变量。
如果把具有不同拓扑不变量的两段石墨烯纳米带首尾相接，在它们的连接处就会有受保护的局域化的边界态。
而在 2021 年赵方舟和导师等人新发表的研究提出了用横向电场来调控石墨烯纳米带的拓扑不变量的方法。其中，赵方舟设计了一种由硼和氮原子周期性掺杂的石墨烯纳米带，在纳米带的平面上施加垂直于纳米带周期性方向的电场，即可利用能带反转调控石墨烯纳米带的拓扑不变量。
如果给一条硼氮掺杂的较长石墨烯纳米带的不同段落施加不同电场，就能形成均匀结构的石墨烯纳米带但在不同位置具有不同拓扑相位的有趣现象。
对于该现象，赵方舟也通过第一性原理计算证实了这一点，而调控拓扑需要施加的外电场，也是实验上可达到的强度。
这样即可通过构建电场的空间分布形式，在均匀结构的石墨烯纳米带的任意位置，来固定一个局域化的拓扑电子态，也可通过电场调节纳米带上相邻两个局域化拓扑电子态的距离，来进一步调节这两个电子态之间的相互作用。而量子计算中的量子比特，则可使用这种局域化的电子态构造。
图源：Physical Review Letters
整整一年进展缓慢，在导师激励下坚持研究
回顾研究历程赵方舟表示，2018 年暑假，他所在团队提出了用电场来调节石墨烯纳米带的拓扑的想法，并讨论了用材料来实现该理论的可行性。
一次偶然的计算中，他发现硼双原子和氮双原子掺杂的特性，正好可用于解决本次问题。所以，他很快就设计材料、并进行计算验证，借此实现了拓扑态预期的主要可观测现象。
提到这里他表示「可是在向导师汇报时，对方一针见血地发现了现象中一个不符合理论的细节，这一理论上的矛盾使我们的项目陷入了困境。」
为解决上述问题，赵方舟阅读大量论文，并尝试诸多思路和计算，也在组会上不断汇报理论计算的进展。
然而，快一年的时间投进去了，一直不能解决理论的矛盾。他坦言「我多次想过放弃这个项目去做别的项目，也想过把当时的进展总结成论文。但是，我的导师治学态度十分严谨，认为如果不解决这个理论上的问题，是没有价值进行发表的。」
2020 年 2 月的一天，春意萌动，这一天在一次重新推导时，他找到了能解释此前矛盾理论。
这时，赵方舟继续做计算验证，并对论文的理论解释进行大改大修，不仅其导师很满意，论文最终也发表在 Physical Review Letters 上。
在量子计算构建量子比特方法上有潜在应用
概括来说，该研究提出了用电场调节石墨烯纳米带的拓扑相的方法，这样就能用外电场在均匀结构的石墨烯纳米带的任意位置，来固定一个局域化的拓扑电子态。
也可通过改变外电场的空间分布，来调节纳米带上拓扑电子态的位置、以及相邻两个局域化拓扑量子态之间的距离。
对于量子计算中的量子比特来说，则可用这种局域化的电子态构造；而量子点量子比特之间的相互作用，则能通过调节相邻两个局域化电子态之间的距离实现。
也就是说，石墨烯纳米带具有拓扑相位。通过第一性原理的计算，通过应用实验可及的横向电场，某些硼和氮周期性掺杂的石墨烯纳米带具有可调的拓扑相。可调节性是由于电子的导带与价带对电场的不同响应而引起的场诱导能带反转。
在空间变化的电场中，石墨烯纳米带不同的片段可以具有不同的拓扑相，从而产生一个可用电场编辑的拓扑电子态阵列，每个局域化的拓扑电子态可以被电子和自旋占据。
此次研究结果表明，电场不仅可以作为准一维系统中拓扑相位的简单调节手段，而且这一研究利用了石墨烯纳米带的拓扑特性，为未来基于石墨烯的量子电子器件提供了新的工作机制和设计方法。
基于该研究，赵方舟考虑把石墨烯纳米带做成电子元器件，并用电场操控拓扑电子态的实验可行性。
他所在团队的合作方，具备合成精确到原子的掺杂石墨烯纳米带的能力，因此将考虑合成石墨烯纳米带的实验可行性。
在上海交大、加州大学伯克利分校遇到伯乐
据介绍，赵方舟出生于 1993 年，来自北京，高中毕业于北师大附属实验中学。
2011 年，他考入上海交通大学致远学院物理学方向读本科。
在那里，他遇到一位伯乐「我的导师邢向军教授教授我们热力学与统计物理课。本科时，我跟着他做了一个很有趣的液晶的统计物理的课题，得到了老师的肯定，并借此参与到关于经典等离子体统计物理的研究。」
在此期间，他对计算物理研究的兴趣得到激发，也为日后来到加州大学伯克利分校投身计算物理打下铺垫。
业余他很喜欢弹肖邦的钢琴曲，曾在学校演奏过《g 小调第一叙事曲》《幻想即兴曲》等。
来到加州大学伯克利分校后，他进入了美国科学院院士以及中国科学院外籍院士雷干城教授的课题组，并在这里获得博士学位。读博期间，赵方舟曾以第一作者身份在 Nature、Physical Review Letters、Nano Letters 等顶尖期刊发表论文 4 篇。
他说「我的导师是一位真正的科学家，他对待学生十分和善，极富耐心。在向他学习的六年中我不仅学到了物理知识，还向他学习了精雕细琢、极度严谨的科研态度，做人的道理，也磨练了意志。」
2021 年 5 月，他来到加州大学圣芭芭拉分校材料系教授克里斯·范德瓦尔（Chris Van de Walle）的课题组，以 Elings Prize Postdoctoral Fellow 的身份开展博后研究。
对于日后的初步打算，他表示「现在国内高校已吸引了很多国际顶尖人才，越来越多的中国学者回到国内继续追求科研，国内科研资源也在快速增长。在完成博后研究后，如果有机会，我很愿意回国继续做研究。」
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