一个国际性的多机构科学家团队使用原子精确方法，在二氧化钛表面上合成了石墨烯纳米带（碳原子的超薄带），该方法消除了量子信息科学所需的定制设计碳纳米结构的障碍。
石墨烯由一个原子厚度的碳层组成，具有超轻、导电和极强的机械特性。由于其高度可调的电子、光学和传输特性，是受到广泛研究的材料，有望改变电子和信息科学。
当石墨烯制成纳米带时，它可以应用于纳米级器件中。但是，在使用当前最先进的“自上而下”合成方法，即将石墨烯片切成原子窄条时，缺乏原子级的精度，限制了石墨烯的实际使用。
美国加利福尼亚州纳米相材料科学中心（CNMS）研究人员构思并实现了一种“自下而上”的方法，即直接在原子水平上构建石墨烯纳米带，使其可以用于特定应用。如图所示科学家在二氧化钛基材上以蓝色显示了黄色所示的石墨烯纳米带。碳带较轻的一端显示出磁性状态。插图显示了两端如何上下旋转，适用于创建量子位。
随着石墨烯链段越来越小，这种绝对精确的方法，有助于保留石墨烯单层的宝贵特性。仅一个或两个原子的宽度差异，就可以显着改变系统的特性，从而将半导体带变为金属带。该研究结果论文发表在《科学》杂志上。
研究人员通过扫描隧道显微镜处理前体材料和验证结果，研究人员表示，“这些显微镜可以直接在原子尺度上成像和处理物质。” “其尖端如此之细，以至于它实质上是单个原子的大小。显微镜逐行移动，不断测量针与表面之间的相互作用，并绘制出原子精确的表面结构图。”
在过去的石墨烯纳米带实验中，材料是在金属基材上合成的，这不可避免地抑制了纳米带的电子性能。“具有这些色带的电子特性是按设计要求工作的。从应用的角度来看，使用金属基材是没有用的，因为它可屏蔽这些特性。” “这是一个巨大的挑战，我们如何有效地分离分子网络以转移到晶体管？”
当前的去耦方法涉及将系统从超高真空条件下移除，并使其经历多步湿化学工艺，这需要蚀刻掉金属基板。此过程与创建系统时使用的仔细、干净的精度相矛盾。
为了找到适用于非金属基材的工艺，研究人员开始对氧化物表面进行试验，以模仿用于金属的策略。最终，求助于一组专门研究氟芳烃化学的欧洲化学家，开始研究一种化学前体的设计，该化学前体可直接在金红石型二氧化钛表面合成。
该研究论文主导之一、李安平博士说：“表面合成使我们能够制造出非常高的精度，并实现了这一目标，我们是从分子前体开始的。” “我们获得某些特性所需的反应基本上已被编程到前体中。我们知道反应发生的温度，通过调节温度，我们可以控制反应的顺序。” “表面合成的另一个优点是可以用作前体的候选材料种类繁多，可以实现很高的可编程性。”
李安平（An-Ping Li），1997年获得北京大学凝聚态物理博士学位，2002年入橡树岭国家实验室和田纳西大学物理与天文学系任教授，为该研究论文团队纳米相材料科学中心（CNMS）部门的扫描隧道显微镜组负责人和量子材料异质性负责人。
化学物质的精确应用使系统解耦也有助于维持开壳结构，从而使研究人员能够在原子级上构建和研究具有独特量子特性的分子。李说：“发现这些石墨烯带在末端具有耦合的磁态（也称为量子自旋态）特别令人高兴。” “这些状态为我们提供了研究磁性相互作用的平台，并希望为量子信息科学中的应用创建量子位。”由于对碳基分子材料中的磁性相互作用几乎没有干扰，因此该方法允许从材料内部编程持久的磁态。
该研究方法创建了与基板分离的高精度色带，这是自旋电子学和量子信息科学的理想应用，最终的系统非常适合进一步研究和构建，因为它具有较宽的带隙，可能跨过传递开/关信号所需的电子状态之间的空间，可作为纳米级晶体管。