Forscher der University of British Columbia, der University of Washington und der Johns Hopkins University haben eine neue Klasse von Quantenzuständen in einer maßgeschneiderten Graphenstruktur identifiziert. Heute veröffentlicht in NaturDie Studie berichtet über die Entdeckung topologischer elektronischer Kristalle in verdrilltem Bilayer-Trilayer-Graphen, einem System, das durch die Einführung einer präzisen Rotationsverdrehung zwischen gestapelten zweidimensionalen Materialien entsteht.
„Der Ausgangspunkt für diese Arbeit sind zwei Graphenflocken, die aus wabenförmig angeordneten Kohlenstoffatomen bestehen. Die Art und Weise, wie Elektronen zwischen den Kohlenstoffatomen hüpfen, bestimmt die elektrischen Eigenschaften des Graphens, das oberflächlich betrachtet mehr ähnelt gängige Leiter wie Kupfer“, sagte Prof. Joshua Folk, Mitglied der Abteilung für Physik und Astronomie der UBC und des Blusson Quantum Matter Institute (UBC Blusson QMI).
„Der nächste Schritt besteht darin, die beiden Flocken mit einer kleinen Drehung dazwischen zu stapeln. Dadurch entsteht ein geometrischer Interferenzeffekt, der als Moiré-Muster bekannt ist: In einigen Bereichen des Stapels liegen die Kohlenstoffatome der beiden Flocken direkt übereinander, während …“ In anderen Regionen sind die Atome versetzt“, sagte Folks.
„Wenn Elektronen durch dieses Moiré-Muster im verdrillten Stapel hüpfen, ändern sich die elektronischen Eigenschaften völlig. Beispielsweise verlangsamen sich die Elektronen stark, und manchmal entwickeln sie eine Drehung in ihrer Bewegung, wie der Wirbel im Wasser am Abfluss einer.“ Badewanne, da das Wasser abfließt.
Die bahnbrechende Entdeckung, über die in dieser Studie berichtet wird, wurde von einem Studenten im Grundstudium, Ruiheng Su von der UBC, beobachtet, als er eine verdrillte Graphenprobe untersuchte, die von Dr. Dacen Waters, einem Postdoktoranden im Labor von Prof. Matthew Yankowitz an der University of Washington, hergestellt wurde. Während der Arbeit an dem Experiment in Folks Labor entdeckte Ruiheng eine einzigartige Konfiguration für das Gerät, bei der die Elektronen im Graphen zu einer perfekt geordneten Anordnung erstarrten, an ihrem Platz fixiert waren und sich dennoch im Gleichklang drehten wie Balletttänzer, die anmutig stationäre Pirouetten ausführen. Diese synchronisierte Rotation führt zu einem bemerkenswerten Phänomen, bei dem elektrischer Strom mühelos entlang der Kanten der Probe fließt, während das Innere isoliert bleibt, weil die Elektronen immobilisiert sind.
Bemerkenswerterweise wird die Strommenge, die entlang der Kante fließt, genau durch das Verhältnis zweier Grundkonstanten der Natur bestimmt – der Planckschen Konstante und der Ladung des Elektrons. Die Genauigkeit dieses Wertes wird durch eine Eigenschaft des Elektronenkristalls garantiert, die als Topologie bekannt ist und die Eigenschaften von Objekten beschreibt, die bei geringfügigen Verformungen unverändert bleiben.
„So wie ein Donut nicht glatt in eine Brezel verformt werden kann, ohne ihn vorher aufzuschneiden, bleibt der zirkulierende Elektronenkanal um den Grenz-2D-Elektronenkristall ungestört durch Unordnung in seiner Umgebung“, sagte Yankowitz.
„Dies führt zu einem paradoxen Verhalten des topologischen elektronischen Kristalls, das in herkömmlichen Wigner-Kristallen der Vergangenheit nicht beobachtet wurde – obwohl sich der Kristall beim Einfrieren von Elektronen in einer geordneten Anordnung bildet, kann er entlang seiner Grenzen dennoch Elektrizität leiten.“
Ein alltägliches Beispiel für Topologie ist das Möbiusband – ein einfaches, aber verblüffendes Objekt. Stellen Sie sich vor, Sie nehmen einen Papierstreifen, formen ihn zu einer Schlaufe und kleben die Enden zusammen. Nehmen Sie nun einen weiteren Streifen, aber bevor Sie die Enden verbinden, drehen Sie ihn einmal. Das Ergebnis ist ein Möbiusband, eine Fläche mit nur einer Seite und einer Kante. Erstaunlicherweise können Sie den Streifen nicht wieder in eine normale Schlaufe aufdrehen, ohne ihn zu zerreißen, ganz gleich, wie sehr Sie auch versuchen, ihn zu manipulieren.
Die Drehung der Elektronen im Kristall ist analog zur Drehung im Möbius-Band und führt zu der bemerkenswerten Eigenschaft des topologischen Elektronenkristalls, die in den seltenen Fällen, in denen in der Vergangenheit Elektronenkristalle beobachtet wurden, noch nie zuvor gesehen wurde: Kanten, an denen Elektronen fließen ohne Widerstand, beschreiben Sie das Einrasten im Kristall selbst.
Der topologische Elektronenkristall ist nicht nur aus konzeptioneller Sicht faszinierend, sondern eröffnet auch neue Möglichkeiten für Fortschritte in der Quanteninformation. Dazu gehören zukünftige Versuche, den topologischen Elektronenkristall mit Supraleitung zu koppeln und so die Grundlage für Qubits für topologische Quantencomputer zu bilden.
