研究人员通过扭转石墨烯层发现了一种独特的电子晶体

揭示石墨烯中的新量子态

来自英属哥伦比亚大学、华盛顿大学和 约翰-霍普金斯大学的研究人员在特别设计的石墨烯中发现了一类新的量子态。 他们的研究发表在《自然》杂志上，揭示了一种名为扭曲双层-三层石墨烯的独特材料中存在拓扑电子晶体。 这种系统是通过堆叠具有精确旋转扭曲的超薄石墨烯层而产生的，从根本上改变了它们的电子行为。

"这项工作的起点是两片石墨烯，它们由排列成蜂巢结构的碳原子组成。 电子在碳原子之间跳动的方式决定了石墨烯的电学特性，石墨烯的电学特性最终在表面上与铜等更常见的导体相似，"UBC物理与天文学系和布劳森量子物质研究所（UBC Blusson QMI）成员约书亚-福克（Joshua Folk）教授说。

约书亚-福克（Joshua Folk）教授，不列颠哥伦比亚大学物理和天文学系及布劳森量子物质研究所成员。 资料来源：不列颠哥伦比亚大学

摩尔纹和电子运动的转变

"下一步是将两片碳原子堆叠在一起，在它们之间加入微小的扭曲。 "Folks 说："这会产生一种被称为摩尔纹的几何干涉效应：在叠层的某些区域，两片薄片上的碳原子直接相叠，而在其他区域，碳原子则相互偏移。"

"当电子跳过扭曲堆栈中的摩尔纹时，电子特性就会完全改变。 例如，电子的速度会大大减慢，有时它们的运动会产生扭曲，就像浴缸排水口的水在排出时产生的漩涡一样。"

这项研究报告中的突破性发现是由不列颠哥伦比亚大学的本科生苏睿恒在研究华盛顿大学马修-扬科维茨教授实验室的博士后研究员达肯-沃特斯博士制备的扭曲石墨烯样品时观察到的。 在福克的实验室进行实验时，芮恒发现了该装置的一种独特构造，石墨烯中的电子凝固成一个完美的有序阵列，锁定在原位，但又像芭蕾舞者优雅地表演静止回旋一样齐心旋转。 这种同步旋转产生了一种非凡的现象：电流毫不费力地沿着样品的边缘流动，而内部则由于电子被固定而保持绝缘。

翩翩起舞却又静止不动的电子

值得注意的是，沿边缘流动的电流大小是由自然界的两个基本常数--普朗克常数和电子电荷--的比值精确决定的。 这一数值的精确性由电子晶体的一种被称为"拓扑学"的特性所保证。"拓扑学"描述了物体在适度变形后保持不变的特性。

扬科维茨说："就像一个甜甜圈不切开就无法顺利变形为椒盐卷饼一样，二维电子晶体边界周围的电子循环通道也不会受到周围环境中无序状态的干扰。这导致拓扑电子晶体出现了过去传统维格纳晶体所没有的自相矛盾的行为--尽管晶体是在电子冻结成有序阵列后形成的，但它仍能沿着边界导电。"

莫比乌斯带的联系

莫比乌斯带是拓扑学的一个日常例子--一个简单却令人费解的物体。 想象一下，拿一张纸条，把它绕成一个圈，然后用胶带把两端粘在一起。 现在，再拿一条纸条，在连接两端之前，先将其扭转一下。 结果就是一个莫比乌斯带，一个只有一面和一条边的表面。 令人惊奇的是，无论你如何摆弄它，都无法在不把它撕裂的情况下把它重新拧成一个正常的环。

晶体中电子的旋转类似于莫比乌斯带的扭转，从而产生了拓扑电子晶体的显著特点，这在过去观察到的极少数电子晶体中是从未见过的：在晶体边缘，电子毫无阻力地流动，就像被锁定在晶体内部一样。

拓扑电子晶体不仅仅是一种理论上的奇思妙想，它还可能在推动量子信息技术的发展中发挥关键作用。 科学家们正在探索如何将这种独特的电子态与超导性结合起来，这一步可能有助于为下一代拓扑量子计算机创建量子比特。

编译自/ScitechDaily

DOI: 10.1038/s41586-024-08239-6