稀土化合物因为有独特的量子特性，几十年来，它们一直吸引着研究人员的目光。迄今为止，这些特性仍然完全无法用于日常化合物中。这些材料最显着和奇特的特性之一是出现奇异的超导状态，尤其是能构建未来拓扑量子计算机所需的超导态。

虽然这些被称为重费米子超导体的特定稀土化合物已经为人所知数十年，但利用它们制造可用的量子技术仍然是一个非常艰难的挑战。这是因为这些材料中含有严重的放射性化合物，如铀和钚。这使它们在现实量子技术中的使用受到限制。

近日，一项新的研究揭示了一种替代的方法，可以仅用石墨烯来产生这些稀土化合物的基本现象，而石墨烯没有传统稀土化合物的安全问题。这篇新论文中令人兴奋的地方是，其展示了如何通过组合三个扭曲的石墨烯层来产生被称为“重费米子”的量子态。

重费米子是一种粒子——在这种情况下是电子——能表现出它的质量好像比实际质量大得多。之所以会有这样现象，是因为独特的量子多体效应。直到现在，这种效应大多只能在稀土化合物中观察到。这种重费米子的怪异行为是能将这些材料用于拓扑量子计算的驱动力，而这个新研究展示了一种新的可实现方案。

在Jose Lado(阿尔托大学)和Aline Ramires(瑞士保罗谢勒研究所)撰写的论文中，研究人员展示了如何用廉价的非放射性材料制造重费米子。他们选择使用了石墨烯，这是一种单原子厚的碳层。尽管在化学结构上与普通铅笔中使用的材料相同，但石墨烯的亚纳米厚度意味着它具有出乎意料的独特电气特性。通过以特定模式将碳薄层叠在一起，每个薄层相对于另一个会有旋转，研究人员让它们产生了量子特性效应，让石墨烯中的电子表现得像重费米子。

“直到现在，重费米子超导体在拓扑量子计算中的实际应用还没有得到太多重视，部分原因是它需要含有铀和钚的化合物，由于其具有放射性，这远非是理想的应用材料。”Lado教授说：“我们的这项工作表明，人们可以通过石墨烯实现完全相同的物理特性。虽然在这项工作中，我们只展示了如何出现重费米子行为，但解决并获得拓扑超导性是自然的下一步，这可能会对拓扑量子计算产生开创性的影响。”

拓扑超导是量子技术的一个重要课题，阿尔托大学应用物理系的其他论文中的替代策略也解决了这一问题，包括Lado教授之前的一篇论文。Lado教授总结道：“这些结果可能为开发量子技术中的重费米子现象提供了一个基于碳的平台，而不需要稀土元素。”（编译:Qtech）