新研究揭示石墨烯中的奇异电子晶体

不列颠哥伦比亚大学、华盛顿大学和约翰·霍普金斯大学的研究人员在定制的石墨烯结构中发现了一类新的量子态

该研究发表在《自然》杂志上，报告了在扭曲的双层-三层石墨烯中发现拓扑电子晶体，这是一个通过在堆叠的二维材料之间引入精确的旋转扭曲而创建的系统

“这项工作的起点是两片石墨烯，它们由排列成蜂窝状结构的碳原子组成。电子在碳原子之间跳跃的方式决定了石墨烯的电性能，最终在表面上与铜等更常见的导体相似，”UBC物理与天文系和Blusson量子物质研究所（UBC Blusson QMI）的成员Joshua Folk教授说

Folk说：“下一步是将两个薄片堆叠在一起，并在它们之间进行微小扭曲。这会产生一种称为莫尔图案的几何干涉效应：堆叠的一些区域有两个薄片中的碳原子直接叠加在一起，而其他区域则有原子偏移。”

“当电子在扭曲的堆叠中跳过这种莫尔图案时，电子的性质完全改变了。例如，电子速度减慢，有时它们的运动会发生扭曲，就像浴缸排水口的水中漩涡一样。”

这项研究中报告的突破性发现是由不列颠哥伦比亚大学的本科生苏瑞恒在研究华盛顿大学Matthew Yankowitz教授实验室的博士后研究员Dacen Waters博士制备的扭曲石墨烯样品时观察到的

在Folk的实验室进行实验时，Ruiheng发现了该设备的一种独特配置，其中石墨烯中的电子冻结成一个完美有序的阵列，锁定在适当的位置，但像芭蕾舞演员优雅地表演静止的旋转一样齐声旋转。这种同步旋转产生了一种显著的现象，即电流沿着样品的边缘毫不费力地流动，而内部由于电子被固定而保持绝缘

值得注意的是，沿边缘流动的电流量是由两个基本自然常数的比值精确决定的——普朗克常数和电子电荷。该值的精度由电子晶体的拓扑特性保证，拓扑特性描述了物体在适度变形下保持不变的特性

Yankowitz说：“就像甜甜圈在不先切开的情况下不能平滑地变形成椒盐卷饼一样，边界二维电子晶体周围的电子循环通道也不会受到周围环境无序的干扰。”

“这导致了拓扑电子晶体的一种矛盾行为，这在过去的传统维格纳晶体中是看不到的——尽管晶体是在将电子冷冻成有序阵列时形成的，但它仍然可以沿着其边界导电。”

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拓扑的一个日常例子是莫比乌斯带——一个简单但令人费解的物体。想象一下，拿一张纸条，把它做成一个环，然后把两端粘在一起。现在，取另一条，但在连接两端之前，先扭转一下。结果是一个莫比乌斯带，一个只有一边和一边的表面。令人惊讶的是，无论你如何操纵条带，你都无法在不撕裂它的情况下将其解缠回正常循环

晶体中电子的旋转类似于莫比乌斯带中的扭曲，并导致拓扑电子晶体的一个显著特征，这在过去观察到电子晶体的罕见情况下是前所未有的：电子在没有阻力的情况下流动的边缘，被描述为在晶体本身内被锁定在适当的位置

拓扑电子晶体不仅从概念的角度来看令人着迷，而且为量子信息的进步开辟了新的机遇。这些包括未来将拓扑电子晶体与超导性耦合的尝试，为拓扑量子计算机的量子比特奠定了基础 More information: Ruiheng Su et al, Moiré-driven topological electronic crystals in twisted graphene, Nature (2025). DOI: 10.1038/s41586-024-08239-6

Journal information: Nature