首次！从石墨烯中发现分数量子反常霍尔效应 可实现更强大量子计算

瞻观前沿

美国麻省理工学院物理学家在5层石墨烯中观察到了一种难以捉摸的分数电荷效应。这是结晶石墨烯中分数量子反常霍尔效应(反常指的是不存在磁场)的第一个证据。这将使一种新形式量子计算成为可能，这种类型的计算对微扰的抵抗力更强。最新一期《自然》杂志报道了这一研究结果。

到目前为止，物理学家已经观察到数次分数量子霍尔效应，大多是在非常高的、精心维护的磁场下观察到的。此次，科学家终于在一种不需要如此强大磁场的石墨烯材料中看到了这种效果。他们发现，当5层石墨烯像台阶一样堆放时，所产生的结构本身就为电子提供了合适的条件，使其作为总电荷的一部分通过，而不需要任何外部磁场。

研究人员首先从一块石墨中剥离石墨烯层，然后使用光学工具识别阶梯状结构中的5层薄片，从而制造出两个混合石墨烯结构的样品。接着，他们将石墨烯薄片压印在六方氮化硼(hBN)薄片上，并将第二片hBN薄片放在石墨烯结构上。最后，他们将电极连接到结构上，并将其放入冰箱，温度设置为接近绝对零度。

当研究人员在材料上施加电流并测量输出电压时，他们开始看到分数电荷的特征，其中电压等于电流乘以分数和一些基本物理常数。通过进一步分析，该团队证实了石墨烯结构确实表现出分数量子反常霍尔效应。这是第一次在石墨烯中看到这种效应。

图片来源：摄图网

技术价值观察

石墨烯产业链的上游为石墨矿资源及生产设备;中游为石墨烯薄膜和石墨烯粉体制造;下游主要的应用以新能源、涂料、大健康、节能环保、化工新材料、电子信息等六大产业。

物理学家从石墨中剥离石墨烯层，形成5层石墨烯薄片，在施加电流并测量输出电压时观察到分数量子反常霍尔效应。因此，从石墨烯产业链上看，该技术处于产业链的中游环节。

 

宏观市场观察

——全球石墨烯技术周期：处于成长期

2010-2019年，全球石墨烯行业专利申请人数量及专利申请量均呈现增长态势。虽然2020年全球石墨烯行业专利申请量有所下降，但是这一指标数量仍较多。整体来看，全球石墨烯技术处于成长期。

注：当前技术领域生命周期所处阶段通过专利申请量与专利申请人数量随时间的推移而变化来分析。

——全球石墨烯行业专利申请量及专利授权量：2020年专利数量及授权量均有所下降

2010-2019年全球石墨烯行业专利申请数量呈现逐年增长态势，2020年全球石墨烯行业专利申请数量有所下降，为17758项。

在专利授权方面，2010-2018年全球石墨烯行业专利授权数量逐年增长，2019年开始出现下降趋势，2020年全球石墨烯行业专利授权数量为6225项，授权比重仅为35%。

2021年1-8月，全球石墨烯行业专利申请数量和专利授权数量分别为3292项和165项，授权比重为5%。截止2021年8月24日，全球石墨烯行业专利申请数量为95076项。

——石墨烯具有优异的光学、电学、力学特性

石墨烯是一种以sp杂化连接的碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的新材料。石墨烯具有优异的光学、电学、力学特性，在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景，被认为是一种未来革命性的材料。石墨烯常见的粉体生产的方法为机械剥离法、氧化还原法、SiC外延生长法，薄膜生产方法为化学气相沉积法(CVD)。随着批量化生产以及大尺寸等难题的逐步突破，石墨烯的产业化应用步伐正在加快，基于已有的研究成果，最先实现商业化应用的领域可能会是移动设备、航空航天、新能源电池领域。

——石墨烯应用领域广泛

石墨烯的研究与应用开发持续升温，石墨和石墨烯有关的材料广泛应用在电池电极材料、半导体器件、透明显示屏、传感器、电容器、晶体管等方面。鉴于石墨烯材料优异的性能及其潜在的应用价值，在化学、材料、物理、生物、环境、能源等众多学科领域已取得了一系列重要进展。

——中国石墨烯规模有望达到千亿

2015年到2018年，我国石墨烯产业处于高速发展期，从2019年开始石墨烯行业进入快速平稳发展期，增速有所降低，根据赛迪智库的数据，2020年国内石墨烯相关领域市场规模达140亿元。根据工信部发布的《中国制造2025重点领域技术路线图》，石墨烯是主导未来高科技竞争的超级材料，广泛应用于电子信息、新能源、航空航天以及柔性电子等领域，可极大推动相关产业的快速发展和升级换代，市场前景巨大，到2025年，整体产业规模预计突破千亿，年均复合增长率接近50%。

——未来石墨烯将在技术和应用领域不断突破

随着石墨烯制备水平的发展和石墨烯应用技术水平的发展，石墨烯材料能够应用在更多的下游产品和领域中。最新石墨烯下游产品，包括石墨烯理疗保暖产品，石墨烯内暖纤维制成的服装，第二代石墨烯手机，石墨烯防弹衣、石墨烯防静电轮胎、石墨烯动力电池等等，显示出我国在石墨烯应用领域取得了很好的成绩。石墨烯的研究和产业化发展持续升温，未来将会应用于锂离子电池、锂硫电池、薄膜分离、超级电容器等制造中。

中国石墨烯技术赛道热力图

根据产业热力图显示，与石墨烯关键技术强关联的城市集群主要集中在华南和华东地区，并且以广深为重点发展区域，未来布局石墨烯技术及其他相关技术的发展路径，极大可能性在于华南华东地区优先导入，其中可重点关注广东省广州市天河区、广东省深圳市福田区、福建省厦门市海沧区所处石墨烯研发、设计的相关企业，以及该地方对于石墨烯的产业发展投资环境、供给市场的潜力空间。

经济学人APP资讯组

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标签： 石墨 专利申请 霍尔 随笔