石墨烯自2004年被发现以来，被视为21世纪最高端的材料之一。作为现今世上最薄、强度最大、导热性能最强的超级材料，近年来成为量子科学家争相研究的 「宠儿」 。石墨烯是一种拓扑材料，其奇特性质，大多来源于其拓扑的 「狄拉克锥」 。香港科技大学物理学系的温维佳教授及吴肖肖博士表示，全球首次发现石墨烯等新材料中的 「第二类狄拉克锥」 的普适产生机制，并在声学实验中实现了该材料的许多奇特性质，改变了过往只能在苛刻条件下零星获得该材料的窘况。该机制的发现，将为现代电子通讯、量子计算、光学通信，甚至隔音减噪材料等方面带来重大应用价值。

温维佳教授（右）和吴肖肖博士展示用于观测第二类狄拉克锥的打印材料实验样品。

石墨烯是一种平面单层紧密打包成一个二维（2D）蜂窝晶格的碳原子，并且是所有其他维度的石墨材料的基本构建模块。温维佳教授说，石墨烯是纳米量级的材料，比人类的头发丝还小，它的奇特性质大多来源于其拓扑的 「狄拉克锥」 。但石墨烯中的 「狄拉克锥」 ，属于理论预言中的 「类狄拉克锥」 。而理论预言中更加独特的 「第二类狄拉克锥」 ，由于对外界信号的响应具有 「类狄拉克锥」 所不具备的极强的方向性，将会为电子器件的开发与应用带来更加广阔的可能。然而，到目前为止， 「第二类狄拉克锥」只能在一些材料中零星地找到，缺乏系统的生成机理。

电子「齐向前」效率更高

吴肖肖博士介绍道，这次成果，就是发现了 「类狄拉克锥」 （下称 「类」 ）之外的「第二类狄拉克锥」 （下称「第二类」 ）的系统生成机理，也就是怎么生成 「第二类」 。吴博士在白板上画出了石墨烯的结构，即多个类似蜂窝的六边形图案。他说，每条边交汇成的格点，都是碳原子，里面还有电子。这些电子在石墨烯中传导的时候，速度和能量的关系就呈现一种交叉的形状），被称为狄拉克锥。

吴肖肖博士在白板上画出了石墨烯的结构，他称电子在石墨烯中传导的时候，速度和能量的关系就呈现一种交叉的形状，被称为狄拉克锥

他说，电子在狄拉克锥中，有的会向前游走，有的会向后游走，这也就是 「类」 。而最理想的状态，就是需要电子朝单向传输，往一个方向走，不要回头。「因为回来可能还会碰到一些晶格，要跟它碰撞、发热，要消耗能量，就是所谓的电阻大。所以都往前面走最好。」 吴博士说， 「第二类」就是电子都往前走，只是有的走得快，有的走得慢而已。与 「类」 的性质相比， 「第二类」 电阻更小，电能转化效率也更高。「第二类」 是在 「类」 的基础上，通过使倾斜效应占主导而得，这把原本对称的电子流动变得不对称。之前科学家在石墨烯里面1做的时候，需要用一个很大的力去拉石墨烯薄膜，但对于实践应用就很难。「你不可能在真正做器件的时候，始终保持这么大一个薄膜，始终保持一个那么大的拉力，那怎么办呢？所以我们就需要设计一个新的方案，让这个电子在里面传播的时候，更加容易形成一种 『倾斜』 。」 吴博士说，电子和声音有一个类似的地方，即都是通过波来传播，两者原理相同。所以，若是利用声波做实验，发现能验证到结论，反推到电子传播上，也是成立的。

一个石墨烯六角晶格结构中，六个格点即碳原子，里面含有电子，而电子在石墨烯中传导的时候，速度和能量的关系就呈现出图示形状，又称为「类狄拉克锥」，六个格点则有六个 「类狄拉克锥」（图左）。格点附近的放大图，也是「类狄拉克锥」的立体模型图（图右）。

声学已验证 操作性更强

温教授团队利用3D打印的具有周期排列的孔阵的声学样品，用声学共振态去模拟电子的行为。「我们在研究过程中发现，我们只要让电子在同一个方向跃迁的时候，只要让它们产生两种不同的跃迁强度，就比如是t1、t2两种不一样的跃迁强度，那么就很容易地得到这种第二类狄拉克锥，也是我们想要的狄拉克锥。」 吴博士说，反推到电子上，只要是设计成这样的方案，类比来说，就是让两个电子同时用t0的速度往前跑，即所谓的能带摺叠，再让它们跑得速度不一样，一个变小成t1，一个变大成t2，就容易形成一种强烈的 「倾斜」 效应，就可以得到第二类狄拉克锥。温教授团队在声学样品里，成功验证了这一原理。温维佳教授补充道，这个实验方案较原先给石墨烯加压力的方案，更加简易，操作性更强。而本次实验的成功，为研发一种电阻更小的电子材料奠定基础。「电阻变小，被消耗掉的能量就变小，你的芯片也就不会那么容易发热。换句话说，假设一部手机，你现在充一次电可以用一天，以后如果有了电阻更小的材料，那你就可能充一次电用10天、20天。」 据悉，这次温教授团队的研究结果，已发布在物理学国际期刊《物理评论快报》。

内地产学研结合较成熟

中共中央政治局于2020年10月就量子科技研究和应用前景举行第二十四次集体学习。习近平主席在主持学习时提到，要促进产学研协同创新。要提高量子科技理论研究成果向实用化、工程化转化的速度和效率，积极吸纳企业参与量子科技发展，引导更多高校、科研院所积极开展量子科技基础研究和应用研发，促进产学研深度融合和协同创新。香港科大温维佳教授表示，香港的科研成果转化为应用，是有困难的，产学研结合有待加强。不过随着香港科大的广州校园将落成，他相信有了内地的依托，转化前景会更好。

香港科研体系相对成熟

温教授说，虽然香港的大学科学研究较为前沿，有相对成熟的体系，但市场上的投资科研的机构不多，因此不少教授都是去内地转化的。而温教授本身即将赴香港科大广州校园任功能枢纽署理院长，他透露，自己的团队成员都将一起赴广州做研究，未来计划在广州研发量子芯片，也看好今后香港科大研究在内地的转化前景。「始终内地市场较大，而且有个内地的校区，要与内地科学家合作也方便好多。」 他表示，香港的产学研结合一直是个问题，但近年来亦逐渐受业界重视，以后大学内教职员的评估机制，甚至也会因此调整。「比如说会纳入社会影响力一项，即该教职员的成果的转化情况。其实，转化很重要，如果你的东西做出来没有应用，那也只是空中楼阁。」

量子芯片更快更省电

温维佳教授将于明年九月赴香港科大广州校区出任功能枢纽署理院长，他透露，团队将赴广州继续开展研究工作，包括研发量子芯片。研发地点主要于新校区内的微纳中心，芯片大小料8英寸，尺寸为150纳米。「其实新的芯片以后它应该是一个多层芯片，而芯片之间的传输不需要靠物理的连线的传输。」问及为何近年业界皆在研发量子芯片，吴肖肖博士解释，量子芯片较现时的芯片而言更快更省电。他说，现在计算机里面的电路是模拟电路，模拟计算时只能用0和1两个态，但量子计算是用0和1的叠加，如此一来，涵盖的态的范围就大很多，意味着计算空间大很多，计算速度就快很多。「量子计算是呈指数增长的，即n的二次方例如2,4,8，以此类推；但传统计算就是普通地增长，例如2,3,4等等，增长速度就较慢。」吴博士续说，传统的模拟计算，其材料通常是硅或者锗；但对于量子计算的选材，仍然有待于科学家的继续设计和开发。

狄拉克锥提升石墨烯性质

所谓「狄拉克锥（Dirac cone）」 是指一种独特的能带结构，其能带在分离填充和未填充电子的费米能级处呈上下对顶的圆锥形。由于这种能带结构满足描述相对论粒子能量─动量关系的狄拉克方程，因此被称为狄拉克锥。石墨烯（Graphene）是具有蜂窝状原子结构和单层原子厚度的二维碳材料。它的发现不仅打破了长久以来二维晶体无法在自然界中稳定存在的预言，其自身的优异性质也使得石墨烯在基础和应用研究中都极具潜力。尤其是狄拉克锥的存在赋予了石墨烯许多新奇的物理现像和电子性质，例如半整数、分数和分形量子霍尔效应，超高迁移率等。被誉为 「材料之王」 的石墨烯在中国正从导电添加剂、保健用品、加热膜、涂料等领域的粗放式利用，迈向医疗器械、手机散热、光伏银浆料、纺织纤维等领域的高质量发展阶段。

引入量子计算机教学开放观摩

香港近年来愈加重视量子研究，（香港科大）赛马会高等研究院新设立的量子科技研究中心，不久前引入香港首台用于教学用途的商用量子计算机，让有关量子算法的教学不再停留于理论层面。温维佳教授表示，该机器较偏于应用，自己的研究属于基础理论，暂时没机会接触，但相信先进的设备能帮助其他有需要的研究人员。香港科大物理学系教授兼量子科技研究中心主任曾蓓教授介绍指，香港科大引进的量子计算机采用核磁共振原理，于常温下便可以工作，而且体积小、重量轻，机身只比普通计算机略大。该计算机将可实体向同学展示量子计算背后的操作原理和方法，除了香港科大师生，也开放给香港其他院校、中小学以及公众观摩使用。