Magisk vinkelgrafen og skabelsen af ​​uventede topologiske kvantetilstande

Elektroner lever i en mærkelig og skæv verden. Disse uendeligt små partikler er aldrig holdt op med at forbløffe og mystificere på trods af det mere end et århundrede, som videnskabsmænd har studeret dem. Nu, i et endnu mere fantastisk twist, fysikere har opdaget, at under visse betingelser, interagerende elektroner kan skabe det, der kaldes 'topologiske kvantetilstande.' Dette fund, som for nylig blev offentliggjort i tidsskriftet Natur , har betydning for mange teknologiske fagområder, især informationsteknologi.

Topologiske tilstande af stof er særligt spændende klasser af kvantefænomener. Deres undersøgelse kombinerer kvantefysik med topologi, som er den gren af ​​teoretisk matematik, der studerer geometriske egenskaber, der kan deformeres, men ikke iboende ændres. Topologiske kvantetilstande kom først til offentlighedens opmærksomhed i 2016, da tre videnskabsmænd - Princetons Duncan Haldane, hvem er Princetons Thomas D. Jones professor i matematisk fysik og Sherman Fairchild University professor i fysik, sammen med David Thouless og Michael Kosterlitz - blev tildelt Nobelprisen for deres arbejde med at afdække topologiens rolle i elektroniske materialer.

"Det sidste årti har set en del spænding omkring nye topologiske kvantetilstande af elektroner, " sagde Ali Yazdani, klassen af ​​1909 professor i fysik ved Princeton og seniorforfatter af undersøgelsen. "Det meste af det, vi har afsløret i det sidste årti, har været fokuseret på, hvordan elektroner får disse topologiske egenskaber, uden at tænke på, at de interagerer med hinanden."

Men ved at bruge et materiale kendt som magisk vinkel snoet dobbeltlagsgrafen, Yazdani og hans team var i stand til at udforske, hvordan interagerende elektroner kan give anledning til overraskende faser af stof.

Grafens bemærkelsesværdige egenskaber blev opdaget for to år siden, da Pablo Jarillo-Herrero og hans team ved Massachusetts Institute of Technology (MIT) brugte det til at inducere superledning - en tilstand, hvor elektroner flyder frit uden nogen modstand. Opdagelsen blev straks anerkendt som en ny materiel platform til at udforske usædvanlige kvantefænomener.

Yazdani og hans medforskere var fascinerede af denne opdagelse og satte sig for yderligere at udforske superledningsevnens forviklinger.

Men det, de opdagede, førte dem ned ad en anden og ubetrådt vej.

"Dette var en vidunderlig omvej, der kom ud af ingenting, " sagde Kevin Nuckolls, hovedforfatteren af ​​papiret og en kandidatstuderende i fysik. "Det var fuldstændig uventet, og noget, vi lagde mærke til, ville være vigtigt."

Efter eksemplet fra Jarillo-Herrero og hans team, Yazdani, Nuckolls og de andre forskere fokuserede deres undersøgelse på snoet dobbeltlagsgrafen.

"Det er virkelig et mirakelmateriale, " sagde Nuckolls. "Det er et todimensionelt gitter af kulstofatomer, der er en fantastisk elektrisk leder og er en af ​​de stærkeste krystaller, der er kendt."

Grafen fremstilles på en vildledende enkel, men omhyggelig måde:en bulkkrystal af grafit, den samme rene grafit i blyanter, eksfolieres med klæbende tape for at fjerne de øverste lag, indtil de til sidst når et enkelt-atom-tyndt lag kulstof, med atomer arrangeret i et fladt honeycomb gittermønster.

For at opnå den ønskede kvanteeffekt, Princeton-forskerne, efter Jarillo-Herreros arbejde, placerede to ark grafen oven på hinanden med det øverste lag lidt vinklet. Denne drejning skaber et moiré-mønster, som ligner og er opkaldt efter et almindeligt fransk tekstildesign. Det vigtige punkt, imidlertid, er den vinkel, hvor det øverste lag af grafen er placeret:præcis 1,1 grader, den "magiske" vinkel, der producerer kvanteeffekten.

"Det er sådan en underlig fejl i naturen, "Nuckolls sagde, "at det er netop denne ene vinkel, der skal opnås." Vinkling af det øverste lag af grafen ved 1,2 grader, for eksempel, giver ingen effekt.

Forskerne genererede ekstremt lave temperaturer og skabte et let magnetfelt. De brugte derefter en maskine kaldet et scanning tunneling mikroskop, som er afhængig af en teknik kaldet "kvantetunneling" snarere end lys for at se den atomære og subatomære verden. De rettede mikroskopets ledende metalspids mod overfladen af ​​den magiske vinkel snoede grafen og var i stand til at detektere elektronernes energiniveauer.

De fandt ud af, at den magiske vinkel grafen ændrede, hvordan elektroner bevægede sig på grafenarket. "Det skaber en tilstand, der tvinger elektronerne til at have samme energi, " sagde Yazdani. "Vi kalder dette et 'fladt band'."

Når elektroner har den samme energi - er i et fladt båndmateriale - interagerer de meget stærkt med hinanden. "Dette samspil kan få elektroner til at gøre mange eksotiske ting, " sagde Yazdani.

En af disse "eksotiske" ting, forskerne opdagede, var skabelsen af ​​uventede og spontane topologiske tilstande.

"Denne vridning af grafenen skaber de rette betingelser for at skabe en meget stærk interaktion mellem elektroner, " Yazdani forklarede. "Og denne interaktion favoriserer uventet elektroner til at organisere sig i en række topologiske kvantetilstande."

Specifikt, de opdagede, at interaktionen mellem elektroner skaber det, der kaldes topologiske isolatorer. Dette er unikke enheder, der fungerer som isolatorer i deres indre, hvilket betyder, at elektronerne indeni ikke er frie til at bevæge sig rundt og derfor ikke leder elektricitet. Imidlertid, elektronerne på kanterne er frie til at bevæge sig rundt, hvilket betyder, at de er ledende. I øvrigt, på grund af topologiens særlige egenskaber, elektronerne, der strømmer langs kanterne, er ikke hæmmet af nogen defekter eller deformationer. De flyder kontinuerligt og omgår effektivt de begrænsninger - såsom små ufuldkommenheder i et materiales overflade - der typisk hæmmer elektronernes bevægelse.

I løbet af arbejdet, Yazdanis eksperimentelle gruppe slog sig sammen med to andre Princetonians - Andrei Bernevig, professor i fysik, og Biao Lian, assisterende professor i fysik - for at forstå den underliggende fysiske mekanisme for deres resultater.

"Vores teori viser, at to vigtige ingredienser - interaktioner og topologi - som i naturen for det meste ser ud til at være afkoblet fra hinanden, kombinere i dette system, " sagde Bernevig. Denne kobling skaber de topologiske isolatortilstande, der blev observeret eksperimentelt.

Selvom området for kvantetopologi er relativt nyt, det rummer et stort potentiale for at revolutionere områderne for elektroteknik, materialevidenskab og især datalogi.

"Folk taler meget om dets relevans for kvantecomputere, hvor du kan bruge disse topologiske kvantetilstande til at lave bedre typer kvantebits, " sagde Yazdani. "Motivationen for det, vi forsøger at gøre, er at forstå, hvordan kvanteinformation kan kodes inde i en topologisk fase. Forskning på dette område producerer spændende ny videnskab og kan have potentiel indflydelse på at fremme kvanteinformationsteknologier."

Yazdani og hans team vil fortsætte deres forskning i at forstå, hvordan interaktioner mellem elektroner giver anledning til forskellige topologiske tilstande.

"Samspillet mellem topologi og superledning i dette materialesystem er ret fascinerende og er noget, vi vil forsøge at forstå næste gang, " sagde Yazdani.