天津大学成功研发可控手性石墨烯卷为量子计算提供新支持

时间：2025-03-04 05:20

小编：小世评选

近日，天津大学胡文平教授团队联合雷圣宾、李奇峰教授及沈永涛副教授，成功研发出一种新型可控手性石墨烯卷，这一研究成果在2025年2月22日发表于国际知名学术期刊《自然・材料》，并引起了广泛关注。这一突破为量子计算及自旋电子器件的未来发展提供了关键技术支持，为相关领域的科学研究和应用奠定了坚实基础。

石墨烯作为一种极具前景的二维材料，具备优异的电学、热学和力学性能，其潜在应用前景广泛。关于石墨烯的手性材料研究一直面临许多挑战，特别是在如何精准控制其手性的方面。传统石墨烯卷在光学活性和自旋电子特性方面的应用受限，这使得手性石墨烯的研究显得尤为重要。

胡文平教授团队通过独创性的“石蜡辅助浸入法”技术，首次在室温条件下成功制备出自旋极化率超过90%的手性石墨烯卷。该技术通过控制石墨烯在溶剂中浸入的垂直速度和角度，实现了对石墨烯卷曲的精准调节，在-30°至30°的范围内可精确设置手性角度，且层间距稳定在0.34±0.02纳米。相比于传统技术，该方法不仅提高了卷曲的稳定性，还有效地解决了卷曲过程中因边缘锯齿形状导致的裂解问题，实现了高产量的石墨烯卷制备。

在实验中，研究团队利用拉曼光谱与透射电镜等技术验证了左手与右手石墨烯卷在光学活性上的显著差异。研究显示，石墨烯卷的自旋极化率在室温条件下达到了惊人的90%以上，狄拉克费米子模型的分析表明，电子在手性卷曲的一侧优先运动，展现出强烈的自旋选择性效应。这一效应的产生，源于卷曲引发的自旋-轨道耦合作用，而与传统的重原子效应有所不同，使得手性石墨烯在自旋电子应用中具有独特的优势。

进一步的原位磁导电原子力显微镜（MCP-AFM）测试则揭示了右手手性卷在特定磁化方向下电流的显著增强现象，而左手卷则展现出相反的特性。这种手性依赖的自旋滤波效应为构建高效的自旋电子器件（如磁随机存储器）提供了新的切入点，预示着在未来量子计算和自旋电子学中的广泛应用。

手性材料的研究意义重大，尤其在现代材料科学与量子技术飞速发展的背景下，拥有手性特性的石墨烯卷不仅为材料科学提供了新视角，同时也为光电器件、自旋电子元器件等多种应用的开发提供了新的可能。随着对手性材料研究的深入，未来可能会引发材料科学、物理学以及电气工程等多学科交叉融合的研究热潮。

天津大学团队的这一重大科研成果，不仅突破了现有技术的瓶颈，而且为未来量子计算机的实现以及新一代自旋电子器件的研发指明了方向。随着技术的不断完善，相信手性石墨烯卷将在新材料开发和量子技术领域发挥越来越重要的作用，推动相关科学研究的进一步进展。