Скрученный графен открывает топологические электронные кристаллы: открывает эру квантовых вычислений и новых материалов

В последние годы графен привлекает всеобщее внимание в области материаловедения и квантовых вычислений благодаря своей превосходной проводимости, прочности и уникальным квантовым свойствам. Последние исследования показали, что благодаря точно скрученной двухслойной структуре графена ученые наблюдали уникальное топологическое состояние электронного кристалла — хотя электроны «заморожены» в фиксированном положении, они могут пропускать электрический ток по краю материала без сопротивления. Это открытие может принести революционный прогресс в топологические квантовые вычисления.

Топологические электронные кристаллы: странное явление замороженных электронов, проводящих электричество

Это новаторское исследование было совместно проведено учеными из Университета Британской Колумбии (UBC) в Канаде, Вашингтонского университета и Университета Джонса Хопкинса в США и опубликовано в журнале Nature. Исследовательская группа сосредоточилась на свойствах «скрученного двухслойного графена», который был создан в 2018 году группой физиков путем наложения двух слоев графена под определенным «магическим углом» (около 1,1 градуса) и, как известно, обладает сверхпроводящими свойствами. Однако последние результаты исследований показывают, что электроны внутри этой структуры способны образовывать идеально упорядоченный массив и вращаться синхронно, подобно движению балерины, совершающей пируэт на месте, что позволяет электронам внутри оставаться изолированными, а краям материала передавать ток без сопротивления.

Студент UBC Жуйхэн Су впервые наблюдал это явление, изучая образцы скрученного двухслойного графена, созданного исследователем-постдокторантом UBC Дэйсеном Уотерсом. Эксперименты показали, что величина краевого тока определяется отношением постоянной Планка к заряду электрона, и это квантовое поведение защищено топологическими свойствами, что делает его не подверженным влиянию окружающей среды.

Муаровые полосы и сдвиг в движении электронов

Муаровые полосы и сдвиг в движении электронов
Ключом к исследованию является эффект «муарового узора». При наложении двух слоев графена под небольшим углом образуется уникальная геометрическая интерференционная картина. В некоторых областях атомы углерода выровнены и расположены непосредственно друг над другом, в то время как в других областях они слегка смещены, и такое расположение существенно влияет на поведение электронов.

«Когда электроны движутся через эту скрученную структуру графена, их скорость значительно замедляется, и иногда в их движении возникают завихрения, подобные завихрениям, образующимся при течении воды через слив», — объясняет физик из Университета Британской Колумбии Джошуа Фолк. Это явление изменяет динамику электронов внутри графена, заставляя их формировать внутри кристаллическую решетку, но позволяя току по краям течь равномерно.

Связь между лентой Мёбиуса и топологическими электронными кристаллами

Исследователи сравнивают это экзотическое электронное состояние с лентой Мёбиуса в топологической математике. Лента Мёбиуса представляет собой топологическую структуру с единственной поверхностью, которая сохраняет свои уникальные математические свойства даже при деформации. Аналогично, краевой ток этого топологического электронного кристалла может поддерживать стабильный поток даже в условиях воздействия окружающей среды.

Исследователи сравнивают это экзотическое электронное состояние с лентой Мёбиуса в топологической математике. Земля-земля сохраняет свои уникальные математические свойства даже при деформации. Теперь кристалла может поддерживать стабильный поток даже в условиях воздействия окружающей среды.

Топологическая природа этого открытия означает, что поведение электронов не определяется локальным шумом или дефектами материала, а ограничивается общей структурой, тем самым обеспечивая основу стабильного электронного состояния для будущих квантовых вычислений.

заключение

Результаты исследования выходят за рамки теоретической физики; он может сыграть ключевую роль в квантовых информационных технологиях, передовом материаловедении и технологиях хранения энергии. В настоящее время исследователи изучают, как объединить этот топологический электронный кристалл со сверхпроводимостью, чтобы разработать новый тип топологического квантового бита (кубита), заложив основу для следующего поколения квантовых компьютеров. Кроме того, эта характеристика внутренней изоляции, но краевой проводимости может привести к рождению новых электронных компонентов и стимулировать технологические инновации в области электротехники и возобновляемой энергетики.

Потенциал графена все еще изучается, и это открытие знаменует собой новый этап в понимании учеными квантовой физики, прокладывая путь к разработке будущих технологий квантовых вычислений и высокопроизводительных материалов.

Литературы

• Уникальное квантовое состояние обнаружено в скрученном двухслойном графене: внутренняя изоляция, края проводят ток
• Electrons Frozen Yet Free: A Quantum Breakthrough in Graphene
• «Топологические электронные кристаллы, управляемые муаровыми узорами в скрученном графене», Ruiheng Su、Dacen Waters、Boran Zhou、Kenji Watanabe、Takashi Taniguchi、Ya-Hui Zhang、Matthew Yankowitz и Джошуа Фолк, 22 января 2025 г., Nature. DOI: 10.1038/s41586-024-08239-6

Источник первого изображения: сгенерировано ИИ.

Что касается измельчения, мы предлагаем индивидуальные настройки и можем регулировать соотношение в соответствии с требованиями обработки для достижения максимальной эффективности.

Добро пожаловать, свяжитесь с нами, у нас есть кто-то, кто ответит на ваши вопросы.

Если вам нужна индивидуальная расценка, пожалуйста, свяжитесь с нами.

Часы работы службы поддержки клиентов: с понедельника по пятницу с 09:00 до 18:00.

Тел: 07 223 1058

Если у вас есть какие-либо вопросы или вопросы, на которые вы не смогли ответить по телефону, пожалуйста, отправьте мне личное сообщение на Facebook~~

Фейсбук Хоневэй: https://www.facebook.com/honwaygroup

Вас также может заинтересовать…