基于液态金属的全新型可变形量子器件技术

众所周知，两块金属（或半导体、超导体）之间若存在真空或绝缘体，电子一般无法由金属一侧穿越到另一侧，此时的绝缘层对电子来说是一个壁垒，或称势阱。然而，当电绝缘层的厚度与德布罗意波长相当时，电子可沿隧道穿过薄的电绝缘层，这种因波动性引起的量子力学特性，就是著名的量子隧穿效应。在量子力学里，穿透过的波幅可以合理地解释为行进粒子具有波的性质，因而具有不为零的概率穿过这些“墙壁”。隧穿概率随着绝缘层增厚呈指数性衰减，一般而言，绝缘层的特征厚度是0.1～10 nm。

迄今为止，几乎所有实现量子隧穿效应的器件均由三明治刚体结构组成，其中间层为一绝缘的薄层，两侧为导电介质电极。在具体实现的材料物态中，中间层通常为绝缘材料，两侧区域为金属导体或超导体。这些结构由于是固体器件，中间层厚度无法调整，整个器件的形状无法变形、分割，一旦制备出来，一般只能按其特定结构实现对应功能，在应用上会受到一定限制。显然，若能将量子隧穿效应器件的三明治刚体结构全部予以液态化，则可望实现前所未有的全液态量子器件，从而提供不同于传统固体器件的性能，有助于为新兴的量子工程提供更加灵活智能的元件级技术支撑，继而实现更广范围的量子技术应用，甚至推动量子技术产业呈现跨越式发展。

图2.22　典型量子器件结构及应用［15］

a.刚性量子器件；b.基于液态金属的可变形全液态量子器件；c.隧穿效应器件的应用。

常温液态金属作为一大类新兴功能材料，既具有金属材料的高导电特征，又兼具流体的柔性、任意可变形特征，因而比较适合于制造柔性的液体电极。除此以外，近年来对液态金属的基础研究发现，处于不同液体环境（酸、碱、表面活性剂、凝胶等）中的液态金属能够展现出一系列匪夷所思的界面现象和行为。其中，将液态金属置于液体中会自然形成一个液态金属电极液膜液态金属电极的三明治结构。这提示我们，如果能将两个液态金属之间的液膜厚度控制在量子隧穿效应的特征厚度范围内，则有望实现全液态量子隧穿效应。基于此，中国科学院理化技术研究所、清华大学与云南大学等机构的联合研究小组首次提出了一种突破传统刚性量子器件理念与技术范畴的全液态量子隧穿效应器件或柔性量子器件［15］，相关研究公布于预印本网站arXiv上，作者们还特别指出了这一超越传统的液态柔性器件在发展未来量子智能系统与量子计算机方面的独特价值。从图2.22展示的传统刚性量子器件与新型量子器件的对比结构可以看出［15］，由于液体的柔性和可变形性，全液态量子器件的中间液层厚度可以通过外场如力场、电场、磁场、化学场等加以调控，这就使得整个系统具有高度的灵活性、智能性和可控性。正如晶体管是现代计算机基本逻辑单元，全液态量子器件的提出对于研制未来全新一代的量子智能系统特别是量子计算机尤具价值。这是因为，量子计算机主要基于对微观量子态的操纵来实现，而量子点方案和超导约瑟夫森结方案更易于集成化和小型化。

实际上，在此之前的一项针对液态金属溶液体系的研究中［11］，研究小组发现，在电场作用下，处于电解液环境中的液态金属（GaIn24.5）可悬浮于同类液态金属表面（图2.23a）。一旦撤去电场后，悬浮的液滴立刻变得不稳定，在很短的时间内就会与下部的液态金属融合在一起，同时由于表面波的传递会伴随有行星液滴的喷射现象（图2.23b）。在由1的悬浮状态（液膜厚度～100 μm）过渡到2的融合状态（液膜厚度为0μm）过程中，显然存在一个液膜厚度极其小的状态，其厚度能够满足量子隧穿的特征长度（液膜厚度0.1～10 nm）。类似地，在由2的融合状过渡到3的行星液滴喷射过程中也存在一个满足量子隧穿条件的过渡态。

上述的液态金属冲浪效应需要流动形成的润滑力来维持一个稳定存在的液膜，在溶液环境中还存在另一种静电排斥机制能够阻止液态金属间的直接接触，从而使得液态金属液膜液态金属三明治结构能够稳定存在。液态金属浸没在碱性溶液中会形成的双电层［16］，使得两个液态金属液滴具有相似的电荷分布，当两个液态金属靠近时就会受到静电排斥力［17］。尤其当液滴间距达到纳米量级时，这个斥力的作用会变得相当显著。

图2.23　液态金属冲浪效应［15］

a.悬浮在同种液态金属液池上的液态金属液滴；b.撤去电场后液滴行为变化；c.对应于图b的撤去电场后界面电阻变化。

在实际应用中，两个液态金属电极间的绝缘层种类可以不仅仅局限于液体，也可以是其他柔性介质。比如，镓基液态金属在空气中很容易形成一层氧化膜（Ga2 O3），这层氧化膜的厚度可以通过控制环境的氧气浓度和温度来进行灵活调控，一般在1 nm左右［18］。由于氧化膜是非导电的，同时其厚度也符合量子隧穿的特征长度，因而这层氧化膜本身也可以作为一层天然的势阱［14］。也就是说，两个放置在一起的氧化的液态金属液滴可以自发地形成一个量子隧穿器件，这种形式的液态金属量子器件也可以置于乙醇、油或表面活性剂溶液中工作。更为普遍地，柔性的绝缘层也可以由其他材料制成，例如自组装单分子膜（self-assembled monolayers，SAMs）、通过气相沉积得到的薄膜、弹性体和凝胶材料等［19］。图2.24展示了分散在凝胶中的液态金属液滴，每两个液滴之间都分隔有一层凝胶薄膜［15］，薄膜厚度约为～10 μm。对于这种弹性体薄膜而言，可以通过施加外力确保其处于量子隧穿效应尺度，且范围可调。(www.xing528.com)

图2.24　凝胶中的金属液滴阵列及不同外力作用下的液滴间距

（右下角灰色区域代表量子隧穿尺度）［15］

液态金属这种独特的金属流体具有能够用于制作量子器件的诸多优点，特别是在构筑量子智能系统与量子计算机方面的价值颇为独特［15］。首先，液态金属的导电率大约为106 S/m［20］，其本身优良的导电性奠定了能够作为量子隧穿器件电极的基础。其次，由于能够发生量子隧穿的势阱厚度非常小，量子器件两侧电极要求极高的表面光滑度以保证所要求的绝缘层厚度。而已有研究表明［21］，将液态金属置于能去除其氧化膜的电解质溶液中，液态金属的表面本身就是极其光滑的，这大大节省了传统刚体量子器件表面微加工的成本，有利于低成本量子器件和技术的普及。除此以外，这种基于液态金属的柔性量子器件还具有多势阱类型、多组合形式、易通过外场调控的优点，具体如图2.25所示［15］。

首先，如前文所述，在两个液态金属电极之间的势阱类型可以是流体，如气、水、油，也可以是柔性薄膜，如液态金属自身氧化物、自组装单分子层、有机凝胶等。对应于不同的应用环境，绝缘层的种类可以有不同的选择，这大大扩宽了液态金属量子隧穿器件的多样性和普适性。

图2.25柔性量子器件的典型优点［15］

其次，由于液态金属本身具有高度的柔性和可变形性，液态量子器件两个电极之间的接触方式非常多样，包括液滴和液池接触、液滴和液滴接触、变形的液滴之间的接触、液膜和液膜之间的接触等。同时量子器件的结构不只是局限于单一的三明治结构，也可以是各种结构的有机结合体，例如一堆浸没在表面活性剂溶液中的液态金属液滴可以自发地组成一组互联的量子器件，因为每两个液态金属之间都存在一层防止其融合的表面活性剂液膜［22］，同时液态金属的种类和溶液的浓度都可以改变。

最重要的是，基于液态金属的柔性量子器件可以依靠外场的调控进行灵活的变形和重组，从而从根本上克服了传统刚体量子器件功能单一的不足。由于液态金属拥有极高的表面张力（～700 mN/m）［23］，几乎是水的10倍，因而表面张力对于控制液态金属的变形和运动具有举足轻重的作用。而表面张力的大小又可以通过施加外场来进行调控，已有的研究证明力场、电场、磁场、热场、化学场等均能有效地调控处于液体环境中的液态金属表面张力。例如，浸没于水中的液态金属对象可在低电压作用下呈现出大尺度变形［16］，一块很大的金属液膜可在数秒内即收缩为单颗金属液球，变形过程十分快速，而表面积改变幅度可高达上千倍；通过化学电学协同机制［24］，液态金属物体的可逆变形可以被进一步快速而精确地改变状态；不同的基底材料可以与液态金属发生不同的电化学作用，从而使得液态金属呈现出不同的形态等［25］。以上这些超越常规的物体构象转换能力很难通过传统的刚性材料或流体介质实现，借助于外场对液态金属形态的灵活调控能力，全液态量子器件具有高度灵活性，大变形性，以及可控性，从而可以实现更多复杂的功能。

总的说来，全液态量子器件的提出是对传统量子器件、金属材料乃至溶液特性认识的观念性革新，有望引申出大量全新应用。通过对液态金属导电性及非导电性液体层予以操控，可以获得广谱特性的可变形量子隧穿效应器件，由此实现较传统刚体系统应用更为广泛的智能化量子器件，如高性能量子存储、计算与人工智能系统等。

由于操作的方便性，未来，很可能这些微小液滴构成的量子计算系统甚至是中学生也能在实验室制成。