
Чрез усукване на слоеве графен изследователи откриват уникален електронен кристал, в който електроните се застопоряват на място, но позволяват на ток да тече по ръбовете без съпротивление.
Това поведение е продиктувано от топологията, подобно на едностранната повърхност на лентата на Мьобиус. Откритието може да има голямо значение за квантовите изчисления.
Разкриване на ново квантово състояние в графена
Изследователи от Университета на Британска Колумбия, Вашингтонския университет и Университета "Джонс Хопкинс" разкриват нов клас квантови състояния в специално конструиран графен. Тяхното изследване, публикувано в Nature, разкрива съществуването на топологични електронни кристали в уникален материал, наречен усукан двуслойно-трислоен графен. Тази система е създадена чрез подреждане на свръхтънки графенови слоеве с прецизно ротационно усукване, което фундаментално променя електронното им поведение.
"Отправната точка за тази работа са два пласта графен, които се състоят от въглеродни атоми, подредени в структура на пчелна пита. Начинът, по който електроните прескачат между въглеродните атоми, определя електрическите свойства на графена, който в крайна сметка е повърхностно подобен на по-обикновени проводници като медта", разказва проф. д-р Джошуа Фолк (Joshua Folk), член на катедрата по физика и астрономия на Университета на Британска Колумбия (UBC) и на Института по квантова материя "Блусън" (UBC Blusson QMI).
Моделите моаре и трансформацията на движението на електроните
Следващата стъпка в експеримента е да подредят двата слоя графен заедно с малко усукване между тях. Това генерира геометричен интерференчен ефект, наречен "модел моаре". При него в някои области на подредбата въглеродните атоми от двата слоя са директно един върху друг, докато в други области атомите са разместени.
Два слоя графен модел моаре. Кредит: UCSD Department of Physics
"Когато електроните прескачат през тази шарка моаре в усукания пакет, електронните свойства се променят напълно. Например електроните се забавят значително и понякога се получава усукване в движението им, подобно на вихъра във водата при източването на вана", обяснява Фолк.
Изненадващо откритие
Революционното откритие, за което се съобщава в това изследване, е наблюдавано при изучаване на образец от усукан графен - при уникална конфигурация електроните в графена замръзват в идеално подреден масив, заключени на място, но въртящи се в унисон като балерини, грациозно изпълняващи неподвижни пируети. Това синхронизирано въртене води до забележително явление, при което електрическият ток протича без усилие по ръбовете на образеца, докато вътрешността остава изолирана, тъй като електроните са обездвижени.
Електрони, които танцуват, но остават замръзнали
Забележително е, че големината на тока, който тече по ръба, се определя точно от съотношението на две фундаментални природни константи - константата на Планк и заряда на електрона. Прецизността на тази стойност е гарантирана от топологията на електронния кристал. Топологията описва свойствата на обектите, които остават непроменени при деформации без разкъсване.
"Точно както един геврек не може да бъде плавно деформиран в кренвирш, без преди това да бъде разрязан, циркулиращият канал от електрони около границата на 2D електронния кристал остава ненарушен от безпорядъка в заобикалящата го среда", обясняват авторите.
"Това води до парадоксално поведение на топологичния електронен кристал, което не е наблюдавано в конвенционалните Вигнерови кристали от миналото - въпреки че кристалът се формира при замразяване на електроните в подредена масива, той все пак може да провежда електричество по границите си."
Преди 86 години Юджийн Вигнер (Eugene Wigner) предполага, че кристал само от електрони може да възникне, ако енергията на отблъскване, възникваща в резултат на взаимодействието на отрицателно заредените електрони, е по-голяма от кинетичната енергия на тези частици. Обикновените кристали - като диаманти или кварц - се състоят от атоми, подредени във фиксирана, триизмерна повтаряща се решетъчна структура. Според идеята на Вигнер, електроните могат да бъдат подредени по подобен начин, за да образуват твърда кристална фаза, но само ако електроните са неподвижни.
Връзката с лентата на Мьобиус
Един обичаен пример за топология е лентата на Мьобиус - прост, но завладяващ обект. Представете си, че имате ивица хартия, оформите я като пръстен и залепите краищата й един за друг. Сега вземете друга лента, но преди да съедините краищата, я усучете. Резултатът е лентата на Мьобиус - повърхност само с една страна и един ръб. Удивително е, че без значение как се опитвате да манипулирате лентата, не можете да я развъртите обратно в нормален пръстен, без да я разкъсате.
Въртенето на електроните в кристала е аналогично на усукването на лентата на Мьобиус и води до забележителната характеристика на топологичния електронен кристал, която никога досега не е била наблюдавана в редките случаи, когато са били наблюдавани електронни кристали в миналото: ръбове, по които електроните текат без съпротивление, описвайки, че са заключени на място в самия кристал.
Бъдещ път към квантовите изчисления
Топологичният електронен кристал не е просто теоретичен куриоз - той може да играе ключова роля в развитието на квантовите информационни технологии. Учените проучват начини за комбиниране на това уникално електронно състояние със свръхпроводимост, стъпка, която може да помогне за създаването на кубити от следващо поколение топологични квантови компютри.
Справка: “Moiré-driven topological electronic crystals in twisted graphene” by Ruiheng Su, Dacen Waters, Boran Zhou, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Ya-Hui Zhang, Matthew Yankowitz and Joshua Folk, 22 January 2025, Nature. DOI: 10.1038/s41586-024-08239-6.
Източник: New research uncovers exotic electron crystal in graphene, Stewart Blusson Quantum Matter Institute
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари