กราฟีนบิดเบี้ยวเผยให้เห็นผลึกอิเล็กทรอนิกส์แบบโทโพโลยี: เปิดศักราชใหม่ของการคำนวณแบบควอนตัมและวัสดุใหม่

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา กราฟีนได้รับความสนใจอย่างกว้างขวางในสาขาวิชาวัสดุศาสตร์และคอมพิวเตอร์ควอนตัม เนื่องมาจากคุณสมบัติการนำไฟฟ้า ความแข็งแกร่ง และคุณสมบัติควอนตัมที่เป็นเอกลักษณ์ จากการวิจัยล่าสุดพบว่าโครงสร้างกราฟีนสองชั้นที่บิดอย่างแม่นยำทำให้เหล่านักวิทยาศาสตร์ได้สังเกตเห็นสถานะผลึกอิเล็กทรอนิกส์แบบโทโพโลยีเฉพาะตัว แม้ว่าอิเล็กตรอนจะ “หยุดนิ่ง” ในตำแหน่งคงที่ แต่อิเล็กตรอนก็สามารถให้กระแสไฟฟ้าไหลไปตามขอบของวัสดุได้โดยไม่มีความต้านทาน การค้นพบนี้อาจนำมาซึ่งความก้าวหน้าครั้งสำคัญในการประมวลผลควอนตัมเชิงโทโพโลยี

ผลึกอิเล็กทรอนิกส์แบบโทโพโลยี: ปรากฏการณ์ประหลาดของอิเล็กตรอนที่แข็งตัวแต่ยังนำไฟฟ้าได้

งานวิจัยอันบุกเบิกนี้ดำเนินการร่วมกันโดยนักวิทยาศาสตร์จากมหาวิทยาลัยบริติชโคลัมเบีย (UBC) ในแคนาดา มหาวิทยาลัยวอชิงตัน และมหาวิทยาลัยจอห์นส์ฮอปกินส์ในสหรัฐอเมริกา และตีพิมพ์ในวารสาร Nature ทีมนักวิจัยมุ่งเน้นไปที่คุณสมบัติของ “กราฟีนไบเลเยอร์บิดเบี้ยว” ซึ่งถูกสร้างขึ้นในปี 2561 โดยกลุ่มนักฟิสิกส์ด้วยการวางกราฟีนสองชั้นใน “มุมมหัศจรรย์” เฉพาะ (ประมาณ 1.1 องศา) และทราบกันว่ามีคุณสมบัติเป็นตัวนำยิ่งยวด อย่างไรก็ตาม ผลการค้นพบล่าสุดเผยให้เห็นเพิ่มเติมว่าอิเล็กตรอนภายในโครงสร้างนี้สามารถเรียงตัวกันอย่างมีระเบียบและหมุนอย่างซิงโครนัสได้อย่างสมบูรณ์แบบ ซึ่งคล้ายกับการเคลื่อนไหวของนักบัลเล่ต์ที่หมุนตัวอยู่กับที่ ซึ่งทำให้อิเล็กตรอนภายในยังคงได้รับการหุ้มฉนวน แต่ขอบของวัสดุยังสามารถส่งผ่านกระแสไฟฟ้าได้โดยปราศจากความต้านทาน

นักศึกษาระดับปริญญาตรีของ UBC Ruiheng Su สังเกตเห็นปรากฏการณ์นี้เป็นครั้งแรกในขณะที่ศึกษาตัวอย่างกราฟีนสองชั้นบิดที่สร้างขึ้นโดย Dacen Waters นักวิจัยหลังปริญญาเอกของ UW การทดลองแสดงให้เห็นว่าขนาดของกระแสขอบถูกกำหนดโดยอัตราส่วนของค่าคงที่ของพลังค์ต่อประจุอิเล็กตรอน พฤติกรรมควอนตัมนี้ได้รับการปกป้องด้วยคุณสมบัติทางโทโพโลยี ทำให้ไม่ได้รับผลกระทบจากการรบกวนจากสภาพแวดล้อม

ขอบมัวเรและการเปลี่ยนแปลงในการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน

กุญแจสำคัญของการวิจัยนี้คือเอฟเฟกต์ของ “รูปแบบมัวเร” เมื่อวางกราฟีนสองชั้นซ้อนกันในมุมเล็กน้อย จะเกิดรูปแบบการรบกวนทางเรขาคณิตที่ไม่ซ้ำใคร ในบางพื้นที่ อะตอมคาร์บอนจะเรียงตัวและซ้อนทับกันโดยตรงบนกันและกัน ในขณะที่ในพื้นที่อื่นๆ อะตอมคาร์บอนจะเรียงตัวไม่ตรงเล็กน้อย ซึ่งการจัดเรียงนี้ส่งผลกระทบอย่างมากต่อพฤติกรรมของอิเล็กตรอน

“เมื่ออิเล็กตรอนเคลื่อนที่ผ่านโครงสร้างกราฟีนแบบบิดเบี้ยว ความเร็วของอิเล็กตรอนจะลดลงอย่างมาก และบางครั้งก็เกิดการบิดเบี้ยวระหว่างการเคลื่อนที่ เช่นเดียวกับกระแสน้ำวนที่เกิดขึ้นเมื่อน้ำไหลผ่านท่อระบายน้ำ” โจชัว โฟล์ค นักฟิสิกส์จาก UBC อธิบาย ปรากฏการณ์นี้เปลี่ยนแปลงพลวัตของอิเล็กตรอนภายในกราฟีน ส่งผลให้อิเล็กตรอนก่อตัวเป็นผลึกเรียงตัวอยู่ภายใน แต่ยังคงให้กระแสไฟฟ้าไหลที่ขอบอย่างสม่ำเสมอ

การเชื่อมต่อระหว่างแถบเมอบิอุสและคริสตัลอิเล็กทรอนิกส์แบบโทโพโลยี

นักวิจัยเปรียบเทียบสถานะอิเล็กทรอนิกส์ที่แปลกใหม่นี้กับแถบเมอบีอุสในคณิตศาสตร์เชิงโทโพโลยี แถบเมอบีอุสเป็นโครงสร้างทางโทโพโลยีที่มีพื้นผิวเดียวซึ่งยังคงคุณสมบัติทางคณิตศาสตร์เฉพาะตัวไว้แม้จะถูกเปลี่ยนรูปไปก็ตาม ในทำนองเดียวกัน กระแสขอบของคริสตัลอิเล็กทรอนิกส์แบบโทโพโลยีนี้สามารถรักษาอัตราการไหลที่เสถียรได้ แม้ภายใต้การรบกวนของสภาพแวดล้อม

“สิ่งที่แปลกประหลาดเกี่ยวกับสถานะอิเล็กทรอนิกส์นี้ก็คือ แม้ว่าอิเล็กตรอนภายในจะถูกแช่แข็งเป็นอาร์เรย์ที่เสถียร แต่ขอบต่างๆ ก็ยังสามารถนำไฟฟ้าได้” Matthew Yankowitz ศาสตราจารย์มหาวิทยาลัยวอชิงตันกล่าว “นี่คือคุณสมบัติที่คริสตัล Wigner แบบดั้งเดิมไม่มี”

ลักษณะทางโทโพโลยีของการค้นพบนี้หมายความว่าพฤติกรรมของอิเล็กตรอนไม่ได้ถูกกำหนดโดยสัญญาณรบกวนในพื้นที่หรือข้อบกพร่องของวัสดุ แต่ถูกจำกัดโดยโครงสร้างโดยรวม ดังนั้นจึงเป็นรากฐานของสถานะอิเล็กทรอนิกส์ที่มั่นคงสำหรับการคำนวณควอนตัมในอนาคต

สรุปแล้ว

การวิจัยนี้มีนัยยะที่มากกว่าแค่ฟิสิกส์เชิงทฤษฎี อาจมีบทบาทสำคัญในเทคโนโลยีสารสนเทศควอนตัม วิทยาศาสตร์วัสดุขั้นสูง และเทคโนโลยีการกักเก็บพลังงาน ขณะนี้ นักวิจัยกำลังศึกษาวิธีการผสมผสานผลึกอิเล็กทรอนิกส์แบบโทโพโลยีเข้ากับสภาพนำยิ่งยวดเพื่อพัฒนาควอนตัมบิตแบบโทโพโลยีประเภทใหม่ (คิวบิต) ซึ่งจะเป็นการวางรากฐานสำหรับคอมพิวเตอร์ควอนตัมรุ่นถัดไป นอกจากนี้ ลักษณะเฉพาะของฉนวนภายในและสภาพนำไฟฟ้าที่ขอบอาจนำไปสู่การเกิดส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์ใหม่ๆ และกระตุ้นให้เกิดนวัตกรรมทางเทคโนโลยีในสาขาวิศวกรรมไฟฟ้าและพลังงานหมุนเวียน

ศักยภาพของกราฟีนยังคงอยู่ในระหว่างการสำรวจ และการค้นพบนี้ถือเป็นก้าวใหม่ในการทำความเข้าใจฟิสิกส์ควอนตัมของนักวิทยาศาสตร์ และปูทางไปสู่การพัฒนาเทคโนโลยีคอมพิวเตอร์ควอนตัมในอนาคตและวัสดุประสิทธิภาพสูง

อ้างอิง:

• ค้นพบสถานะควอนตัมเฉพาะตัวในกราฟีนสองชั้นบิด: ฉนวนภายใน ขอบนำกระแสไฟฟ้า
• อิเล็กตรอนที่แข็งตัวแต่เป็นอิสระ: ความก้าวหน้าทางควอนตัมในกราฟีน
• “ผลึกอิเล็กทรอนิกส์เชิงโทโพโลยีที่ขับเคลื่อนด้วยรูปแบบมัวเรในกราฟีนบิด” โดย Ruiheng Su, Dacen Waters, Boran Zhou, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Ya-Hui Zhang, Matthew Yankowitz และ Joshua Folk 22 มกราคม 2025 Nature ดอย: 10.1038/s41586-024-08239-6

ที่มาของภาพแรก : AI สร้าง

สำหรับการบด เรามีการปรับแต่งตามความต้องการในการประมวลผล เพื่อให้มีประสิทธิภาพสูงสุด

ยินดีต้อนรับที่จะติดต่อเรา เราจะมีคนที่จะตอบคำถามของคุณ

หากคุณต้องการใบเสนอราคาแบบกำหนดเองโปรดติดต่อเรา

เวลาทำการฝ่ายบริการลูกค้า : จันทร์ – ศุกร์ 09:00~18:00 น.

โทร : 07 223 1058

หากมีข้อสงสัยหรือคำถามที่ไม่ชัดเจนทางโทรศัพท์ โปรดอย่าลังเลที่จะส่งข้อความส่วนตัวถึงฉันทาง Facebook ~~

เฟซบุ๊ก HonWay: https://www.facebook.com/honwaygroup

คุณอาจสนใจ…