惊人的转折:石墨烯的“魔术”角度和意想不到的拓扑量子态的创造

魔术角扭曲双层石墨烯

一个由普林斯顿大学领导的物理学家团队发现,在特定条件下,相互作用的电子可以产生所谓的“拓扑量子态”,这对许多技术领域的研究都有影响,尤其是信息技术。这张扫描隧道显微镜图展示了扭曲双分子层石墨烯的神奇角度。资料来源:普林斯顿大学物理系Kevin Nuckolls

电子栖息在一个奇怪的、颠倒的世界里。尽管科学家们研究了这些无限小的粒子一个多世纪,但它们从未停止让人感到惊奇和神秘。现在,物理学家们发现,在特定的条件下,相互作用的电子可以产生所谓的“拓扑量子态”。这一发现最近发表在《科学》杂志上自然,对许多技术领域的研究都有影响,尤其是信息技术。

物质的拓扑态是量子现象中特别有趣的一类。他们的研究将量子物理学与拓扑相结合,拓扑是理论数学的一个分支,研究可以变形但不会本质上改变的几何性质。拓扑量子态第一次来到公众的注意是在2016年,当时三位科学家——普林斯顿大学的邓肯·霍尔丹,普林斯顿大学的托马斯·d·琼斯教授数学物理和谢尔曼仙童大学的物理学教授,大卫·阿伯丁大学科斯特利兹——Thouless和迈克尔一起获得诺贝尔奖的工作在电子材料发现拓扑结构的作用。

“过去十年来,关于新拓扑量子电子的电子态度非常兴奋,”1909年普林斯顿物理学教授和该研究的高级作者,1909年的班级。“在过去十年中我们发现的大部分都是专注于电子如何获得这些拓扑属性,而不考虑它们彼此互动。”

而是通过使用一种被称为魔术角扭曲双层的材料石墨烯,Yazdani和他的团队能够探索如何互动的电子如何产生令人惊讶的阶段。

拓扑量子态

一个由普林斯顿大学领导的物理学家团队发现,在特定条件下,相互作用的电子可以产生所谓的“拓扑量子态”,这对许多技术领域的研究都有影响,尤其是信息技术。这张图描述了不同的绝缘状态,每一种状态都有一个称为“Chern number”的整数作为特征,用来区分不同的拓扑阶段。资料来源:普林斯顿大学物理系Kevin Nuckolls

两年前石墨烯的卓越性质在Pablo Jarillo-Herrero及其团队在马萨诸塞州理工学院(麻省理工学院)用它来诱导超导性——一种电子无任何阻力自由流动的状态。这一发现立即被认为是探索异常量子现象的新材料平台。

亚泽尼亚和他的研究人员受到这一发现的兴趣,并阐述了进一步探索超导性的复杂性。

但他们的发现让他们走上了一条不同的、无人涉足的道路。

“这是一个很好的迂回,”凯文·纳库尔斯,纸张的主要作者和物理研究生凯文·纳库尔斯说。“这是完全出乎意料的,我们注意到这一点是重要的。”

以Jarillo-Herrero和他的团队为例,Yazdani、Nuckolls和其他研究人员将他们的研究重点放在了扭曲的双层石墨烯上。

努克尔斯说:“这真是一种神奇的材料。”“它是一种由碳原子组成的二维晶格,是一种很好的导体,也是已知的最强晶体之一。”

石墨烯以一种粗糙的简单但艰苦的方式生产:石墨的散装晶体,铅笔中相同的纯石墨,使用粘带剥离,以去除顶层,直到最终达到一个 -原子-薄层碳,原子排列成扁平的蜂窝晶格。

为了获得所需的量子效果,普林斯顿研究人员在Jarillo-Herrero的工作之后,将两张石墨烯放在彼此顶部,顶层略微成角度。这种扭曲创造了一种类似于普通法国纺织品设计的莫尔图格模式。然而,重要的时间是石墨烯顶层定位的角度:精确为1.1度,“魔法”角度产生量子效应。

“这是自然界的一个奇怪的小故障,”努克尔斯说,“这正是我们需要实现的一个角度。”“例如,将石墨烯顶层的角度设为1.2度,不会产生任何影响。

研究人员产生了极低的温度,并产生了一个轻微的磁场。然后,他们使用了一种叫做扫描隧道显微镜的机器,这种机器依赖于一种叫做“量子隧道”的技术,而不是光来观察原子和亚原子世界。他们将显微镜的导电金属尖端对准扭曲的石墨烯表面,从而能够探测电子的能级。

他们发现石墨烯的神奇角度改变了电子在石墨烯薄片上移动的方式。“它创造了一种条件,迫使电子处于相同的能量,”Yazdani说。“我们称之为‘平带’。”

当电子具有相同的能量时-在平坦带材料中-它们彼此之间的相互作用非常强。Yazdani说:“这种相互作用可以让电子做许多奇异的事情。”

研究人员发现,这些“奇异”的事物之一,就是意外而自发的拓扑状态的产生。

Yazdani解释说:“石墨烯的这种扭曲创造了合适的条件,可以在电子之间产生很强的相互作用。”“这种相互作用出乎意料地有利于电子将自己组织成一系列的拓扑量子态。”

具体地,他们发现电子之间的相互作用产生称为拓扑绝缘体。这些是独特的设备,它充当内部内部的绝缘体,这意味着内部的电子不自由移动,因此不会导电。然而,边缘上的电子可以自由移动,这意味着它们是导电的。此外,由于拓扑的特殊性,流动沿边缘的电子不会被任何缺陷或变形阻碍。它们连续地流动并有效地绕过限制 - 例如材料表面中的微小缺陷 - 这通常会阻碍电子的运动。

在工作过程中,亚泽达的实验组与其他普林斯顿人合作 - AndreiBernevig,物理学教授,助理物理学助理教授 - 了解他们的发现的潜在物理机制。

Bernevig说:“我们的理论表明,在这个系统中,两种重要的成分——相互作用和拓扑结构——在本质上大多是相互解耦的。”这种耦合产生了在实验中观察到的拓扑绝缘体状态。

虽然量子拓扑领域相对较新,但它具有彻底改变电气工程,材料科学和尤其是计算机科学领域的巨大潜力。

“人们经常谈论它与量子计算在那里,你可以使用这些拓扑量子态来制造更好类型的量子比特,”Yazdani说。“我们试图做的事情的动机是了解量子信息如何能被编码在一个拓扑阶段。这一领域的研究正在产生令人兴奋的新科学,并可能对推进量子信息技术产生潜在影响。”

Yazdani和他的团队将继续他们的研究,以了解电子之间的相互作用如何产生不同的拓扑状态。

Yazdani说:“在这种材料系统中,拓扑结构和超导性之间的相互作用非常吸引人,这是我们接下来要尝试了解的。”

除了亚齐达尼,纳库尔斯,伯尔尼格格和联盟外,该研究的贡献者还包括与日本国家重学研究所的博士·沃塔纳·兼博士,博士黄金,博士·沃齐(Takashi Taniguchi)包括联合作者。

参考:Kevin P. Nuckolls, Myungchul Oh, Dillon Wong, Biao Lian, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, B. Andrei Bernevig and Ali Yazdani, 2020年12月14日自然
DOI: 10.1038 / s41586 - 020 - 3028 - 8

这项工作主要得到Gordon and Betty Moore Foundation 's EPiQS initiative (GBMF4530, GBMF9469)和能源部(DE-FG02-07ER46419和DE-SC0016239)的支持。其他支持实验工作是由美国国家科学基金会提供(材料科学与工程研究中心通过普林斯顿大学复合材料中心(nsf (dmr) 1420541, nsf - dmr - 1904442)和渴望dmr - 1643312),埃克森美孚通过Andlinger普林斯顿大学能源与环境中心普林斯顿催化倡议,基本战略倡议由日本教育部,文化,体育,科学与技术(JPMXP0112101001, JSPS KAKENHI grant JP20H0035, CREST jppmjcr15f3),普林斯顿大学理论科学中心普林斯顿大学,西蒙基金会,Packard基金会,施密特创新研究基金,BSF以色列美国基金会(2018226),海军研究办公室(N00014-20-1-2303)和普林斯顿全球网络资金。

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