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揭示石墨烯中的新量子態(tài)

來自英屬哥倫比亞大學(xué)、華盛頓大學(xué)和 約翰-霍普金斯大學(xué)的研究人員在特別設(shè)計(jì)的石墨烯中發(fā)現(xiàn)了一類新的量子態(tài)。 他們的研究發(fā)表在《自然》雜志上，揭示了一種名為扭曲雙層-三層石墨烯的獨(dú)特材料中存在拓?fù)潆娮泳w。 這種系統(tǒng)是通過堆疊具有精確旋轉(zhuǎn)扭曲的超薄石墨烯層而產(chǎn)生的，從根本上改變了它們的電子行為。

"這項(xiàng)工作的起點(diǎn)是兩片石墨烯，它們由排列成蜂巢結(jié)構(gòu)的碳原子組成。 電子在碳原子之間跳動的方式?jīng)Q定了石墨烯的電學(xué)特性，石墨烯的電學(xué)特性最終在表面上與銅等更常見的導(dǎo)體相似，"UBC物理與天文學(xué)系和布勞森量子物質(zhì)研究所（UBC Blusson QMI）成員約書亞-福克（Joshua Folk）教授說。

約書亞-福克（Joshua Folk）教授，不列顛哥倫比亞大學(xué)物理和天文學(xué)系及布勞森量子物質(zhì)研究所成員。 資料來源：不列顛哥倫比亞大學(xué)

摩爾紋和電子運(yùn)動的轉(zhuǎn)變

"下一步是將兩片碳原子堆疊在一起，在它們之間加入微小的扭曲。 "Folks 說："這會產(chǎn)生一種被稱為摩爾紋的幾何干涉效應(yīng)：在疊層的某些區(qū)域，兩片薄片上的碳原子直接相疊，而在其他區(qū)域，碳原子則相互偏移。"

"當(dāng)電子跳過扭曲堆棧中的摩爾紋時(shí)，電子特性就會完全改變。 例如，電子的速度會大大減慢，有時(shí)它們的運(yùn)動會產(chǎn)生扭曲，就像浴缸排水口的水在排出時(shí)產(chǎn)生的漩渦一樣。"

這項(xiàng)研究報(bào)告中的突破性發(fā)現(xiàn)是由不列顛哥倫比亞大學(xué)的本科生蘇睿恒在研究華盛頓大學(xué)馬修-揚(yáng)科維茨教授實(shí)驗(yàn)室的博士后研究員達(dá)肯-沃特斯博士制備的扭曲石墨烯樣品時(shí)觀察到的。 在福克的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，芮恒發(fā)現(xiàn)了該裝置的一種獨(dú)特構(gòu)造，石墨烯中的電子凝固成一個完美的有序陣列，鎖定在原位，但又像芭蕾舞者優(yōu)雅地表演靜止回旋一樣齊心旋轉(zhuǎn)。 這種同步旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生了一種非凡的現(xiàn)象：電流毫不費(fèi)力地沿著樣品的邊緣流動，而內(nèi)部則由于電子被固定而保持絕緣。

翩翩起舞卻又靜止不動的電子

值得注意的是，沿邊緣流動的電流大小是由自然界的兩個基本常數(shù)--普朗克常數(shù)和電子電荷--的比值精確決定的。 這一數(shù)值的精確性由電子晶體的一種被稱為"拓?fù)鋵W(xué)"的特性所保證。"拓?fù)鋵W(xué)"描述了物體在適度變形后保持不變的特性。

揚(yáng)科維茨說："就像一個甜甜圈不切開就無法順利變形為椒鹽卷餅一樣，二維電子晶體邊界周圍的電子循環(huán)通道也不會受到周圍環(huán)境中無序狀態(tài)的干擾。這導(dǎo)致拓?fù)潆娮泳w出現(xiàn)了過去傳統(tǒng)維格納晶體所沒有的自相矛盾的行為--盡管晶體是在電子凍結(jié)成有序陣列后形成的，但它仍能沿著邊界導(dǎo)電。"

莫比烏斯帶的聯(lián)系

莫比烏斯帶是拓?fù)鋵W(xué)的一個日常例子--一個簡單卻令人費(fèi)解的物體。 想象一下，拿一張紙條，把它繞成一個圈，然后用膠帶把兩端粘在一起。 現(xiàn)在，再拿一條紙條，在連接兩端之前，先將其扭轉(zhuǎn)一下。 結(jié)果就是一個莫比烏斯帶，一個只有一面和一條邊的表面。 令人驚奇的是，無論你如何擺弄它，都無法在不把它撕裂的情況下把它重新擰成一個正常的環(huán)。

晶體中電子的旋轉(zhuǎn)類似于莫比烏斯帶的扭轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生了拓?fù)潆娮泳w的顯著特點(diǎn)，這在過去觀察到的極少數(shù)電子晶體中是從未見過的：在晶體邊緣，電子毫無阻力地流動，就像被鎖定在晶體內(nèi)部一樣。

拓?fù)潆娮泳w不僅僅是一種理論上的奇思妙想，它還可能在推動量子信息技術(shù)的發(fā)展中發(fā)揮關(guān)鍵作用。 科學(xué)家們正在探索如何將這種獨(dú)特的電子態(tài)與超導(dǎo)性結(jié)合起來，這一步可能有助于為下一代拓?fù)淞孔佑?jì)算機(jī)創(chuàng)建量子比特。

編譯自/ScitechDaily

DOI: 10.1038/s41586-024-08239-6