Graphene Xoắn Tiết Lộ Tinh Thể Điện Tử Topo: Mở Ra Kỷ Nguyên Máy Tính Lượng Tử và Vật Liệu Mới

Trong những năm gần đây, graphene đã thu hút sự chú ý rộng rãi trong khoa học vật liệu và máy tính lượng tử nhờ vào khả năng dẫn điện vượt trội, độ bền cao, và các tính chất lượng tử độc đáo.
Một nghiên cứu mới đây cho thấy rằng, bằng cách xoắn chính xác cấu trúc graphene hai lớp, các nhà khoa học đã quan sát được trạng thái tinh thể điện tử topo độc đáo—nơi các electron, mặc dù “đóng băng” ở các vị trí cố định, vẫn cho phép dòng điện chạy dễ dàng dọc theo các cạnh của vật liệu. Phát hiện này có thể cách mạng hóa lĩnh vực máy tính lượng tử topo.

Tinh Thể Điện Tử Topo: Hiện Tượng Kỳ Lạ của Các Electron Đóng Băng nhưng Vẫn Dẫn Điện

Nghiên cứu đột phá này, được thực hiện bởi các nhà khoa học từ Đại học British Columbia (UBC), Đại học Washington, và Đại học Johns Hopkins, đã được công bố trên tạp chí Nature.
Nhóm nghiên cứu tập trung vào các đặc tính của “graphene hai lớp xoắn,” một cấu trúc được hình thành bằng cách xếp chồng hai lớp graphene tại một “góc kỳ diệu” cụ thể (khoảng 1,1 độ), lần đầu tiên được quan sát vào năm 2018 với khả năng siêu dẫn. Tuy nhiên, phát hiện mới nhất còn tiết lộ rằng các electron trong cấu trúc này có thể tự tổ chức thành một mảng được sắp xếp hoàn hảo và xoay đồng bộ, giống như những vũ công ba-lê xoay tại chỗ. Điều này dẫn đến nội thất của vật liệu vẫn là cách điện, trong khi các cạnh của nó dẫn dòng điện mà không có điện trở.

Sinh viên Ruiheng Su thuộc Đại học British Columbia (UBC) đã thực hiện quan sát ban đầu khi nghiên cứu các mẫu graphene hai lớp xoắn được sản xuất bởi nhà nghiên cứu sau tiến sĩ Dacen Waters của Đại học Washington.
Các thí nghiệm đã chứng minh rằng cường độ dòng điện tại các cạnh được xác định bởi tỷ lệ giữa hằng số Planck và điện tích electron. Hành vi lượng tử này được bảo vệ bởi các đặc tính topo, khiến nó không bị ảnh hưởng bởi những nhiễu loạn từ môi trường.

Sự Chuyển Đổi Chuyển Động của Electron Qua Mô Hình Moiré

Hiệu ứng “mô hình Moiré” đóng vai trò quan trọng trong nghiên cứu này.
Khi hai lớp graphene được xếp chồng với một góc nghiêng nhẹ, một mô hình giao thoa hình học độc đáo xuất hiện. Ở một số khu vực, các nguyên tử carbon thẳng hàng trực tiếp, trong khi ở những khu vực khác, chúng bị lệch nhẹ. Sự sắp xếp này có ảnh hưởng đáng kể đến hành vi của các electron.

Nhà vật lý Joshua Folk từ Đại học British Columbia (UBC) giải thích: “Khi các electron di chuyển trong cấu trúc graphene xoắn này, vận tốc của chúng giảm đáng kể. Đôi khi, chúng phát triển một chuyển động xoắn, giống như những xoáy nước hình thành khi nước chảy qua một cống thoát.”
Hiện tượng này làm thay đổi động học của các electron bên trong graphene, khiến chúng hình thành các mảng tinh thể bên trong, trong khi vẫn cho phép dòng điện tại các cạnh chảy ổn định.

Mối Liên Hệ Giữa Dải Möbius và Tinh Thể Điện Tử Topo

Các nhà nghiên cứu đã đưa ra một phép so sánh giữa trạng thái điện tử đặc biệt này và dải Möbius, một cấu trúc topo chỉ có một bề mặt.
Ngay cả khi bị biến dạng, dải Möbius vẫn giữ nguyên các tính chất toán học độc đáo của mình. Tương tự, các dòng điện ở cạnh trong tinh thể điện tử topo này vẫn duy trì sự ổn định, ngay cả khi chịu sự can thiệp từ môi trường.

Giáo sư Matthew Yankowitz của Đại học Washington nhận xét: “Điều kỳ lạ về trạng thái điện tử này là mặc dù các electron bên trong bị đóng băng thành một mảng ổn định, nhưng các cạnh vẫn dẫn điện. Đây là một tính chất chưa từng được quan sát trong các tinh thể Wigner truyền thống.”

Bản chất topo của phát hiện này cho thấy hành vi của electron được chi phối bởi cấu trúc tổng thể, chứ không phải bởi nhiễu loạn cục bộ hoặc các khuyết điểm của vật liệu.
Điều này có thể cung cấp một nền tảng trạng thái điện tử ổn định cho máy tính lượng tử trong tương lai.

Kết luận

Ý nghĩa của nghiên cứu này vượt xa lĩnh vực vật lý lý thuyết, có tiềm năng ảnh hưởng đến công nghệ thông tin lượng tử, khoa học vật liệu tiên tiến và lưu trữ năng lượng.
Các nhà nghiên cứu hiện đang khám phá cách kết hợp tinh thể điện tử topo này với siêu dẫn để phát triển các qubit topo mới, đặt nền móng cho thế hệ tiếp theo của máy tính lượng tử. Hơn nữa, tính chất cách điện bên trong nhưng dẫn điện ở các cạnh có thể dẫn đến việc tạo ra các loại linh kiện điện tử mới, thúc đẩy các đổi mới công nghệ trong kỹ thuật điện và năng lượng tái tạo.

Tiềm năng của graphene tiếp tục được khám phá, và phát hiện này đánh dấu một giai đoạn mới trong sự hiểu biết của các nhà khoa học về vật lý lượng tử, mở đường cho sự phát triển của các công nghệ máy tính lượng tử trong tương lai và các vật liệu hiệu suất cao.

Tài liệu tham khảo:

• Graphene hai lớp xoắn thể hiện trạng thái lượng tử độc đáo: Cách điện bên trong, dẫn điện ở ranh giới
• Electron Đóng Băng Nhưng Vẫn Tự Do: Đột Phá Lượng Tử Trong Graphene
• Ruiheng Su, Dacen Waters, Boran Zhou, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Ya-Hui Zhang, Matthew Yankowitz, Joshua Folk (2025).
  . Moiré-driven topological electronic crystals in twisted graphene, Nature, 637, 1084–1089. DOI: 10.1038/s41586-024-08239-6.

Source of the first image: AI generated

Chúng tôi cung cấp các điều chỉnh tùy chỉnh cho quy trình nghiền, được thiết kế để đáp ứng các yêu cầu xử lý nhằm đạt hiệu quả tối đa.

Hãy liên hệ với chúng tôi và sẽ có chuyên gia sẵn sàng giải đáp các câu hỏi của bạn.

Nếu bạn cần báo giá tùy chỉnh, bạn cũng được chào đón để liên hệ với chúng tôi.

Thời gian hỗ trợ khách hàng: Thứ Hai đến Thứ Sáu, 09:00~18:00 (GMT+8).

thoạiđiện thoại: +8867 223 1058

Nếu bạn có một chủ đề muốn tìm hiểu hoặc một cuộc gọi điện thoại không rõ ràng, bạn được hoan nghênh gửi tin nhắn riêng đến Facebook~~

Honway Facebook: https://www.facebook.com/honwaygroup

Bạn có thể quan tâm đến…