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石墨烯自2004年被發(fā)現(xiàn)以來，被視為21世紀最高端的材料之一。作為現(xiàn)今世上最薄、強度最大、導熱性能最強的超級材料，近年來成為量子科學家爭相研究的 「寵兒」 。石墨烯是一種拓撲材料，其奇特性質(zhì)，大多來源于其拓撲的 「狄拉克錐」 。

香港科技大學物理學系的溫維佳教授及吳肖肖博士表示，全球首次發(fā)現(xiàn)石墨烯等新材料中的 「第二類狄拉克錐」 的普適產(chǎn)生機制，并在聲學實驗中實現(xiàn)了該材料的許多奇特性質(zhì)，改變了過往只能在苛刻條件下零星獲得該材料的窘?jīng)r。該機制的發(fā)現(xiàn)，將為現(xiàn)代電子通訊、量子計算、光學通信，甚至隔音減噪材料等方面帶來重大應(yīng)用價值。

溫維佳教授（右）和吳肖肖博士展示用于觀測第二類狄拉克錐的打印材料實驗樣品。

電子「齊向前」效率更高

吳肖肖博士在白板上畫出了石墨烯的結(jié)構(gòu)，他稱電子在石墨烯中傳導的時候，速度和能量的關(guān)系就呈現(xiàn)一種交叉的形狀，被稱為狄拉克錐

一個石墨烯六角晶格結(jié)構(gòu)中，六個格點即碳原子，里面含有電子，而電子在石墨烯中傳導的時候，速度和能量的關(guān)系就呈現(xiàn)出圖示形狀，又稱為「第一類狄拉克錐」，六個格點則有六個 「第一類狄拉克錐」（圖左）。格點附近的放大圖，也是「第一類狄拉克錐」的立體模型圖（圖右）。

聲學已驗證 操作性更強

內(nèi)地產(chǎn)學研結(jié)合較成熟

中共中央政治局于2020年10月就量子科技研究和應(yīng)用前景舉行第二十四次集體學習。習近平主席在主持學習時提到，要促進產(chǎn)學研協(xié)同創(chuàng)新。要提高量子科技理論研究成果向?qū)嵱没?、工程化轉(zhuǎn)化的速度和效率，積極吸納企業(yè)參與量子科技發(fā)展，引導更多高校、科研院所積極開展量子科技基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研發(fā)，促進產(chǎn)學研深度融合和協(xié)同創(chuàng)新。香港科大溫維佳教授表示，香港的科研成果轉(zhuǎn)化為應(yīng)用，是有困難的，產(chǎn)學研結(jié)合有待加強。不過隨著香港科大的廣州校園將落成，他相信有了內(nèi)地的依托，轉(zhuǎn)化前景會更好。

香港科研體系相對成熟

溫教授說，雖然香港的大學科學研究較為前沿，有相對成熟的體系，但市場上的投資科研的機構(gòu)不多，因此不少教授都是去內(nèi)地轉(zhuǎn)化的。而溫教授本身即將赴香港科大廣州校園任功能樞紐署理院長，他透露，自己的團隊成員都將一起赴廣州做研究，未來計劃在廣州研發(fā)量子芯片，也看好今后香港科大研究在內(nèi)地的轉(zhuǎn)化前景?！甘冀K內(nèi)地市場較大，而且有個內(nèi)地的校區(qū)，要與內(nèi)地科學家合作也方便好多。」 他表示，香港的產(chǎn)學研結(jié)合一直是個問題，但近年來亦逐漸受業(yè)界重視，以后大學內(nèi)教職員的評估機制，甚至也會因此調(diào)整?！副热缯f會納入社會影響力一項，即該教職員的成果的轉(zhuǎn)化情況。其實，轉(zhuǎn)化很重要，如果你的東西做出來沒有應(yīng)用，那也只是空中樓閣?！?/p>

量子芯片更快更省電

溫維佳教授將于明年九月赴香港科大廣州校區(qū)出任功能樞紐署理院長，他透露，團隊將赴廣州繼續(xù)開展研究工作，包括研發(fā)量子芯片。研發(fā)地點主要于新校區(qū)內(nèi)的微納中心，芯片大小料8英寸，尺寸為150納米。「其實新的芯片以后它應(yīng)該是一個多層芯片，而芯片之間的傳輸不需要靠物理的連線的傳輸?！箚柤盀楹谓陿I(yè)界皆在研發(fā)量子芯片，吳肖肖博士解釋，量子芯片較現(xiàn)時的芯片而言更快更省電。他說，現(xiàn)在計算機里面的電路是模擬電路，模擬計算時只能用0和1兩個態(tài)，但量子計算是用0和1的疊加，如此一來，涵蓋的態(tài)的范圍就大很多，意味著計算空間大很多，計算速度就快很多?！噶孔佑嬎闶浅手笖?shù)增長的，即n的二次方例如2,4,8，以此類推；但傳統(tǒng)計算就是普通地增長，例如2,3,4等等，增長速度就較慢。」吳博士續(xù)說，傳統(tǒng)的模擬計算，其材料通常是硅或者鍺；但對于量子計算的選材，仍然有待于科學家的繼續(xù)設(shè)計和開發(fā)。

狄拉克錐提升石墨烯性質(zhì)

所謂「狄拉克錐（Dirac cone）」 是指一種獨特的能帶結(jié)構(gòu)，其能帶在分離填充和未填充電子的費米能級處呈上下對頂?shù)膱A錐形。由于這種能帶結(jié)構(gòu)滿足描述相對論粒子能量─動量關(guān)系的狄拉克方程，因此被稱為狄拉克錐。

石墨烯（Graphene）是具有蜂窩狀原子結(jié)構(gòu)和單層原子厚度的二維碳材料。它的發(fā)現(xiàn)不僅打破了長久以來二維晶體無法在自然界中穩(wěn)定存在的預言，其自身的優(yōu)異性質(zhì)也使得石墨烯在基礎(chǔ)和應(yīng)用研究中都極具潛力。尤其是狄拉克錐的存在賦予了石墨烯許多新奇的物理現(xiàn)像和電子性質(zhì)，例如半整數(shù)、分數(shù)和分形量子霍爾效應(yīng)，超高遷移率等。被譽為 「材料之王」 的石墨烯在中國正從導電添加劑、保健用品、加熱膜、涂料等領(lǐng)域的粗放式利用，邁向醫(yī)療器械、手機散熱、光伏銀漿料、紡織纖維等領(lǐng)域的高質(zhì)量發(fā)展階段。

引入量子計算機教學開放觀摩

香港近年來愈加重視量子研究，（香港科大）賽馬會高等研究院新設(shè)立的量子科技研究中心，不久前引入香港首臺用于教學用途的商用量子計算機，讓有關(guān)量子算法的教學不再停留于理論層面。溫維佳教授表示，該機器較偏于應(yīng)用，自己的研究屬于基礎(chǔ)理論，暫時沒機會接觸，但相信先進的設(shè)備能幫助其他有需要的研究人員。

香港科大物理學系教授兼量子科技研究中心主任曾蓓教授介紹指，香港科大引進的量子計算機采用核磁共振原理，于常溫下便可以工作，而且體積小、重量輕，機身只比普通計算機略大。該計算機將可實體向同學展示量子計算背后的操作原理和方法，除了香港科大師生，也開放給香港其他院校、中小學以及公眾觀摩使用。