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揭示石墨烯中的新量子態

來自英屬哥倫比亞大學、華盛頓大學和 約翰-霍普金斯大學的研究人員在特別設計的石墨烯中發現了一類新的量子態。 他們的研究發表在《自然》雜志上，揭示了一種名為扭曲雙層-三層石墨烯的獨特材料中存在拓撲電子晶體。 這種系統是通過堆疊具有精確旋轉扭曲的超薄石墨烯層而產生的，從根本上改變了它們的電子行為。

"這項工作的起點是兩片石墨烯，它們由排列成蜂巢結構的碳原子組成。 電子在碳原子之間跳動的方式決定了石墨烯的電學特性，石墨烯的電學特性最終在表面上與銅等更常見的導體相似，"UBC物理與天文學系和布勞森量子物質研究所（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物理和天文學系及布勞森量子物質研究所成員。 資料來源：不列顛哥倫比亞大學

摩爾紋和電子運動的轉變

"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："這會產生一種被稱為摩爾紋的幾何干涉效應：在疊層的某些區域，兩片薄片上的碳原子直接相疊，而在其他區域，碳原子則相互偏移。"

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

這項研究報告中的突破性發現是由不列顛哥倫比亞大學的本科生蘇睿恒在研究華盛頓大學馬修-揚科維茨教授實驗室的博士后研究員達肯-沃特斯博士制備的扭曲石墨烯樣品時觀察到的。 在福克的實驗室進行實驗時，芮恒發現了該裝置的一種獨特構造，石墨烯中的電子凝固成一個完美的有序陣列，鎖定在原位，但又像芭蕾舞者優雅地表演靜止回旋一樣齊心旋轉。 這種同步旋轉產生了一種非凡的現象：電流毫不費力地沿著樣品的邊緣流動，而內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--普朗克常數和電子電荷--的比值精確決定的。 這一數值的精確性由電子晶體的一種被稱為"拓撲學"的特性所保證。"拓撲學"描述了物體在適度變形后保持不變的特性。

揚科維茨說："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通道也不會受到周圍環境中無序狀態的干擾。這導致拓撲電子晶體出現了過去傳統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成有序陣列后形成的，但它仍能沿著邊界導電。"

莫比烏斯帶的聯系

莫比烏斯帶是拓撲學的一個日常例子--一個簡單卻令人費解的物體。 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。 現在，再拿一條紙條，在連接兩端之前，先將其扭轉一下。 結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。

晶體中電子的旋轉類似于莫比烏斯帶的扭轉，從而產生了拓撲電子晶體的顯著特點，這在過去觀察到的極少數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部一樣。

拓撲電子晶體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的發展中發揮關鍵作用。 科學家們正在探索如何將這種獨特的電子態與超導性結合起來，這一步可能有助于為下一代拓撲量子計算機創建量子比特。

編譯自/ScitechDaily

DOI: 10.1038/s41586-024-08239-6