近年來，石墨烯因其卓越的導電性、強度及獨特的量子特性，在材料科學與量子運算領域引發廣泛關注。最新研究發現，透過精確扭曲的雙層石墨烯結構，科學家觀測到一種獨特的拓撲電子晶體狀態——電子雖被「凍結」在固定位置，卻能讓電流無阻力地沿著材料邊緣流動，這一發現可能為拓撲量子計算帶來革命性進展。
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拓撲電子晶體：電子凍結卻導電的奇異現象
這項突破性研究由加拿大哥倫比亞大學（UBC）、美國華盛頓大學及約翰霍普金斯大學的科學家聯合進行，並發表於《自然》（Nature）期刊。研究團隊專注於「扭曲雙層石墨烯」的特性，在2018時一群物理學家透過特定角度的「魔角」（約 1.1 度）堆疊兩層石墨烯而產生的，並已知具有超導特性。然而，最新發現進一步揭示，這一結構內部的電子能夠形成完美有序的陣列並同步旋轉，類似於芭蕾舞者在原地旋轉的動作，這使得內部電子保持絕緣狀態，但材料邊緣卻能無阻力地傳輸電流。
UBC 本科生 Ruiheng Su 在研究華盛頓大學博士後研究員 Dacen Waters 製作的扭曲雙層石墨烯樣本時，首次觀察到這一現象。實驗證明，邊緣電流的大小由普朗克常數與電子電荷的比值決定，這種量子行為受拓撲特性保護，使其不受環境干擾影響。
莫爾條紋與電子運動的轉變
研究的關鍵在於「莫爾條紋」（moiré pattern）效應。當兩層石墨烯以微小角度堆疊時，形成一種獨特的幾何干涉圖案。在某些區域，碳原子會直接對齊疊放在一起，而在其他區域則略有錯位，這種排列方式顯著影響電子行為。
UBC 物理學家 Joshua Folk 解釋：「當電子在這種扭曲的石墨烯結構中運動時，其速度會明顯減慢，有時它們會在運動中產生扭曲，就像水流經過排水口時形成的渦流。」這種現象改變了石墨烯內部電子的動力學，使得它們在內部形成晶體陣列，但邊緣電流卻能穩定流動。
莫比烏斯帶與拓撲電子晶體的聯繫
研究人員將這種奇異的電子狀態與拓撲數學中的莫比烏斯帶（Möbius strip）相類比。莫比烏斯帶是一種只有單一表面的拓撲結構，即使對其進行變形，仍保持其獨特的數學特性。同樣地，這種拓撲電子晶體的邊緣電流，即便在環境干擾下，也能維持穩定流動。
華盛頓大學教授 Matthew Yankowitz 說：「這種電子態的奇異之處在於，即使內部電子已凍結成穩定的陣列，但邊緣卻仍然能夠導電。這是傳統維格納晶體（Wigner crystal）所未曾展現的特性。」
這一發現的拓撲性質意味著，電子的行為並非由局部雜訊或材料缺陷決定，而是受到整體結構的約束，因此能為未來量子計算提供穩定的電子態基礎。
結論
這項研究的影響不僅限於理論物理，它可能在量子資訊技術、先進材料科學以及儲能技術領域發揮關鍵作用。研究人員目前正探索如何將這種拓撲電子晶體與超導性結合，從而開發出新型拓撲量子位元（qubit），為下一代量子電腦奠定基礎。此外，這種內部絕緣但邊緣導電的特性，或將促成新型電子元件的誕生，在電氣工程及再生能源領域引發技術革新。
石墨烯的潛力仍在不斷挖掘，而這項發現標誌著科學家對量子物理學的理解邁入新階段，為未來量子計算技術與高性能材料的發展鋪平道路。
參考文獻:
- 扭曲雙層石墨烯發現獨特量子狀態，內部絕緣、邊緣可傳導電流
- Electrons Frozen Yet Free: A Quantum Breakthrough in Graphene
- “扭曲石墨烯中的莫爾紋驅動的拓撲電子晶體”，作者：Ruiheng Su、Dacen Waters、Boran Zhou、Kenji Watanabe、Takashi Taniguchi、Ya-Hui Zhang、Matthew Yankowitz 和 Joshua Folk，2025 年 1 月 22 日，《自然》。 DOI: 10.1038/s41586-024-08239-6
首圖來源:AI生成
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