W ostatnich latach grafen, ze względu na swoją wyjątkową przewodność, wytrzymałość i unikalne właściwości kwantowe, wzbudził szerokie zainteresowanie w dziedzinie materiałoznawstwa i obliczeń kwantowych. Najnowsze badania wykazały, że poprzez precyzyjnie skręconą dwuwarstwową strukturę grafenową, naukowcy zaobserwowali unikalny stan topologicznego kryształu elektronowego – elektrony, choć „zamrożone” w stałych pozycjach, mogą przepływać bez oporu wzdłuż krawędzi materiału. Odkrycie to może przynieść rewolucyjny postęp w topologicznych obliczeniach kwantowych.
Spis treści:
Topologiczny kryształ elektronowy: dziwny fenomen zamrożonych, lecz przewodzących elektronów
To przełomowe badanie zostało przeprowadzone wspólnie przez naukowców z University of British Columbia (UBC) w Kanadzie, University of Washington i Johns Hopkins University w Stanach Zjednoczonych. Zostało opublikowane w czasopiśmie „Nature”. Zespół badawczy skupił się na właściwościach „skręconego dwuwarstwowego grafenu”, który został wytworzony w 2018 roku przez grupę fizyków poprzez ułożenie dwóch warstw grafenu pod określonym „magicznym kątem” (około 1,1 stopnia) i o którym wiadomo, że ma właściwości nadprzewodzące. Jednak najnowsze odkrycie ujawnia, że elektrony w tej strukturze mogą tworzyć idealnie uporządkowaną sieć i poruszać się synchronicznie, podobnie do baletnicy obracającej się w miejscu, co utrzymuje wewnętrzne elektrony w stanie izolacji, ale krawędzie materiału mogą przewodzić prąd bez oporu.
Student UBC, Ruiheng Su, po raz pierwszy zaobserwował to zjawisko podczas badania próbek skręconego dwuwarstwowego grafenu, które zostały stworzone przez Dacena Watersa, doktoranta z University of Washington. Eksperyment wykazał, że wielkość prądu krawędzi jest określona przez stosunek stałej Plancka do ładunku elektronu, a to zachowanie kwantowe jest chronione przez właściwości topologiczne, co czyni go odpornym na zakłócenia zewnętrzne.
Przejście od prążków mory do ruchu elektronów
Kluczem do badania jest efekt prążków mory. Kiedy dwie warstwy grafenu są ułożone pod niewielkim kątem, tworzy się unikalny geometryczny wzór interferencyjny. W niektórych obszarach atomy węgla są ułożone bezpośrednio jeden na drugim, podczas gdy w innych obszarach są nieco przesunięte. Ten układ znacząco wpływa na zachowanie elektronów.
Fizyk z UBC, Joshua Folk, wyjaśnia: „Kiedy elektrony poruszają się w tej skręconej strukturze grafenowej, ich prędkość znacznie zwalnia, a czasami skręcają się w ruchu, jak wiry tworzące się, gdy woda przepływa przez odpływ”. Zjawisko to zmienia dynamikę elektronów wewnątrz grafenu, umożliwiając im tworzenie krystalicznej sieci wewnątrz, podczas gdy prąd krawędzi może płynąć stabilnie.
Powiązanie między wstęgą Möbiusa a topologicznym kryształem elektronowym
Naukowcy porównali ten dziwny stan elektronowy do wstęgi Möbiusa, obiektu z zakresu matematyki topologicznej. Wstęga Möbiusa to struktura topologiczna z tylko jedną powierzchnią, która zachowuje swoje unikalne właściwości matematyczne nawet po deformacji. Podobnie, prąd krawędzi tego topologicznego kryształu elektronowego może utrzymać stabilny przepływ nawet w przypadku zakłóceń środowiskowych.
Profesor Uniwersytetu Waszyngtońskiego, Matthew Yankowitz, powiedział: „To, co jest dziwne w tym stanie elektronowym, to fakt, że nawet jeśli wewnętrzne elektrony zostały zamrożone w stabilną sieć, krawędzie nadal mogą przewodzić. Jest to cecha, której tradycyjny kryształ Wignera nigdy nie wykazywał”.
Topologiczna natura tego odkrycia oznacza, że zachowanie elektronów nie jest determinowane przez lokalny szum lub defekty materiału, ale podlega ogólnej strukturze, dzięki czemu może zapewnić stabilny stan elektronowy dla przyszłych obliczeń kwantowych.
Wnioski
Wpływ tych badań nie ogranicza się tylko do fizyki teoretycznej, ale może odgrywać kluczową rolę w technologiach informacji kwantowej, zaawansowanych materiałoznawstwie i technologiach magazynowania energii. Naukowcy badają obecnie, w jaki sposób połączyć ten topologiczny kryształ elektronowy z nadprzewodnictwem, aby opracować nowe typy topologicznych kubitów, które będą stanowić podstawę dla następnej generacji komputerów kwantowych. Ponadto, ta cecha izolacji wewnętrznej, ale przewodnictwa brzegowego, może prowadzić do narodzin nowych komponentów elektronicznych, wywołując rewolucję technologiczną w elektrotechnice i odnawialnych źródłach energii.
Potencjał grafenu jest wciąż odkrywany, a to odkrycie oznacza, że naukowcy wkraczają w nowy etap rozumienia fizyki kwantowej, torując drogę dla przyszłych technologii obliczeń kwantowych i rozwoju wysokowydajnych materiałów.
Referencje:
- Odkryto unikalny stan kwantowy w skręconym dwuwarstwowym grafenie, gdzie wnętrze jest izolatorem, ale krawędzie przewodzą prąd.
- Electrons Frozen Yet Free: A Quantum Breakthrough in Graphene
- „Topologiczny kryształ elektronowy napędzany prążkami mory w skręconym dwuwarstwowym grafenie” autorstwa Ruiheng Su, Dacen Waters, Boran Zhou, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Ya-Hui Zhang, Matthew Yankowitz i Joshua Folk, 22 stycznia 2024, Nature. DOI: 10.1038/s41586-024-08239-6
Źródło zdjęcia: Sztuczna inteligencja
W zakresie szlifowania oferujemy indywidualne dostosowanie. Możemy modyfikować proporcje zgodnie z Twoimi potrzebami, aby osiągnąć najwyższą wydajność.
Zapraszamy do kontaktu, nasi specjaliści odpowiedzą na Twoje pytania.
Jeśli potrzebujesz wyceny, skontaktuj się z nami.
Godziny obsługi klienta: poniedziałek – piątek 09:00-18:00
Numer kontaktowy：07 223 1058
Jeśli masz jakieś pytania, zapraszamy do wysłania wiadomości prywatnej na Facebooku!
Nasza strona na FB：https://www.facebook.com/honwaygroup
Być może zainteresują cię inne artykuły…
