近年来，石墨烯因其卓越的导电性、强度及独特的量子特性，在材料科学与量子运算领域引发广泛关注。最新研究发现，透过精确扭曲的双层石墨烯结构，科学家观测到一种独特的拓扑电子晶体状态——电子虽被「冻结」在固定位置，却能让电流无阻力地沿着材料边缘流动，这一发现可能为拓扑量子计算带来革命性进展。
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拓扑电子晶体：电子冻结却导电的奇异现象
这项突破性研究由加拿大哥伦比亚大学（UBC）、美国华盛顿大学及约翰霍普金斯大学的科学家联合进行，并发表于《自然》（Nature）期刊。研究团队专注于「扭曲双层石墨烯」的特性，在2018时一群物理学家透过特定角度的「魔角」（约 1.1 度）堆叠两层石墨烯而产生的，并已知具有超导特性。然而，最新发现进一步揭示，这一结构内部的电子能够形成完美有序的阵列并同步旋转，类似于芭蕾舞者在原地旋转的动作，这使得内部电子保持绝缘状态，但材料边缘却能无阻力地传输电流。
UBC 本科生 Ruiheng Su 在研究华盛顿大学博士后研究员 Dacen Waters 制作的扭曲双层石墨烯样本时，首次观察到这一现象。实验证明，边缘电流的大小由普朗克常数与电子电荷的比值决定，这种量子行为受拓扑特性保护，使其不受环境干扰影响。
莫尔条纹与电子运动的转变
研究的关键在于「莫尔条纹」（moiré pattern）效应。当两层石墨烯以微小角度堆叠时，形成一种独特的几何干涉图案。在某些区域，碳原子会直接对齐叠放在一起，而在其他区域则略有错位，这种排列方式显著影响电子行为。
UBC 物理学家 Joshua Folk 解释：「当电子在这种扭曲的石墨烯结构中运动时，其速度会明显减慢，有时它们会在运动中产生扭曲，就像水流经过排水口时形成的涡流。」这种现象改变了石墨烯内部电子的动力学，使得它们在内部形成晶体阵列，但边缘电流却能稳定流动。
莫比乌斯带与拓扑电子晶体的联系
研究人员将这种奇异的电子状态与拓扑数学中的莫比乌斯带（Möbius strip）相类比。莫比乌斯带是一种只有单一表面的拓扑结构，即使对其进行变形，仍保持其独特的数学特性。同样地，这种拓扑电子晶体的边缘电流，即便在环境干扰下，也能维持稳定流动。
华盛顿大学教授 Matthew Yankowitz 说：「这种电子态的奇异之处在于，即使内部电子已冻结成稳定的阵列，但边缘却仍然能够导电。这是传统维格纳晶体（Wigner crystal）所未曾展现的特性。」
这一发现的拓扑性质意味着，电子的行为并非由局部杂讯或材料缺陷决定，而是受到整体结构的约束，因此能为未来量子计算提供稳定的电子态基础。
结论
这项研究的影响不仅限于理论物理，它可能在量子资讯技术、先进材料科学以及储能技术领域发挥关键作用。研究人员目前正探索如何将这种拓扑电子晶体与超导性结合，从而开发出新型拓扑量子位元（qubit），为下一代量子电脑奠定基础。此外，这种内部绝缘但边缘导电的特性，或将促成新型电子元件的诞生，在电气工程及再生能源领域引发技术革新。
石墨烯的潜力仍在不断挖掘，而这项发现标志着科学家对量子物理学的理解迈入新阶段，为未来量子计算技术与高性能材料的发展铺平道路。
参考文献:
- 扭曲双层石墨烯发现独特量子状态，内部绝缘、边缘可传导电流
- Electrons Frozen Yet Free: A Quantum Breakthrough in Graphene
- “扭曲石墨烯中的莫尔纹驱动的拓扑电子晶体”，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
首图来源:AI生成
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