Specielt orienteret snoet dobbeltlagsgrafen er vært for topologiske elektroniske tilstande

Et ark med magisk vinkel snoet dobbeltlagsgrafen kan være vært for nye topologiske faser af stof, har en undersøgelse afsløret.

Magisk-vinkel snoet grafen, først opdaget i 2018, er lavet af to plader grafen (en form for kulstof, der består af et enkelt lag atomer i et bikagelignende gittermønster), lagdelt ovenpå hinanden, med det ene ark snoet ved præcis 1,05 grader i forhold til det andet. Det resulterende dobbeltlag har usædvanlige elektroniske egenskaber:f.eks. den kan laves om til en isolator eller en superleder afhængigt af hvor mange elektroner der tilsættes.

Opdagelsen lancerede et nyt forskningsfelt i magisk vinkel snoet grafen, kendt som "twistronics". Hos Caltech, Stevan Nadj-Perge, assisterende professor i anvendt fysik og materialevidenskab, har været blandt de forskere, der leder anklagen:i 2019, han og hans kolleger afbildede direkte de elektroniske egenskaber af magisk vinkel snoet grafen på atomlængdeskalaer; og i 2020, de demonstrerede, at superledning i snoet dobbeltlagsgrafen kan eksistere væk fra den magiske vinkel, når den er koblet til en todimensionel halvleder.

Nu, Nadj-Perge og hans kolleger har fundet ud af, at magisk vinkel snoet dobbeltlagsgrafen også har uventede topologiske kvantefaser. Et papir om arbejdet udkommer i 18. januar-udgaven af Natur .

Hvad er topologiske kvantefaser, og hvorfor er de vigtige? Traditionelt, materialer er klassificeret som enten isolatorer, som hæmmer strømmen af ​​elektroner og dermed ikke leder elektricitet; metaller, som leder elektricitet godt; og halvledere, som leder elektricitet mellem metaller og isolatorer.

Imidlertid, når stærke magnetiske felter påføres de forskellige typer materialer, elektronernes adfærd gennem dem ændres, producerer andre mulige tilstande - eller topologiske kvantefaser. For eksempel, under stærke magnetiske felter, hovedparten af ​​et materiale kan blive isolerende, mens overfladerne (eller kanterne, i tilfælde af et todimensionalt materiale) er stærkt ledende. Teoretisk set, topologiske kvantefaser kan have mange anvendelser, herunder i kvanteinformationsbehandling.

I det nye værk, Nadj-Perge og kolleger brugte scanning tunneling mikroskopi til direkte at afbilde snoet tolags grafen med atomopløsning, og fandt ud af, at de stærke interaktioner mellem elektroner i snoet dobbeltlagsgrafen muliggør fremkomsten af ​​disse topologiske faser uden behov for et stærkt magnetfelt. De studerede også grafen snoet til alternative vinkler, men fandt, at de nye topologiske faser kun var til stede i den magiske vinkel.

"Opdagelsen af ​​topologiske faser i magisk vinkel snoet dobbeltlagsgrafen åbner endnu et kapitel om dette fantastiske materiale og bringer os tættere på at forstå dets elektroniske egenskaber." siger Nadj-Perge, avisens tilsvarende forfatter. "Mest vigtigt, imidlertid, vores resultater peger også mod nye måder at konstruere topologiske faser på, som kan forfølges i fremtiden." Disse materialer kunne, i teorien, har mange applikationer; for eksempel, visse excitationer af topologiske faser kunne bruges til at udføre informationsbehandling i fremtidige kvantecomputere.

Deres papir har titlen "Korrelationsdrevne topologiske faser i magisk vinkel snoet dobbeltlagsgrafen."