“魔术”角石墨烯和意外的拓扑量子态的产生

电子居住在一个奇怪而混乱的世界中。尽管科学家研究了它们一个多世纪，但这些无限微小的粒子从未停止过惊奇和神秘化。现在，物理学家发现了一个更加惊人的转折：在某些条件下，相互作用的电子可以产生所谓的“拓扑量子态”。这项发现最近发表在《自然》杂志上，为电气工程，材料科学特别是计算机科学的变革带来了巨大的潜力。

物质的拓扑状态是特别有趣的一类量子现象。他们的研究将量子物理学与拓扑学结合起来，拓扑学是理论数学的一个分支，研究可变形但本质上不会改变的几何特性。拓扑量子态首先在2016年引起了公众的关注，普林斯顿大学的普林斯顿大学数理物理学教授托马斯·D·琼斯和谢尔曼·费尔柴尔德大学物理系教授普林斯顿大学的邓肯·霍尔丹，以及戴维·图勒斯和迈克尔·科斯特里茨一起被授予诺贝尔奖因其在揭示拓扑在电子材料中的作用方面的工作而获奖。

普林斯顿大学1909年级物理学教授，该研究的资深作者阿里·亚兹达尼说：“过去十年来，人们对电子的新拓扑量子态感到非常兴奋。” “在过去十年中，我们发现的大部分内容都集中在电子如何获得这些拓扑特性上，而没有考虑它们相互之间的相互作用。”

但是，通过使用一种称为魔角扭曲双层石墨烯的材料，Yazdani和他的团队得以探索相互作用的电子如何产生令人惊讶的物质相。

石墨烯的非凡性能是两年前发现的，当时马萨诸塞州理工学院（MIT）的Pablo Jarillo-Herrero和他的团队使用它来诱导超导—一种电子自由流动而没有任何阻力的状态。这一发现立即被认为是探索异常量子现象的新材料平台。

Yazdani及其同事对这一发现很感兴趣，并着手进一步探索超导的复杂性。

该论文的主要作者，物理学研究生凯文·纳克尔斯（Kevin Nuckolls）说：“这真是一个奇妙的弯路。 “这完全是出乎意料的，我们注意到这一点很重要。”

以Jarillo-Herrero及其团队为例，Yazdani，Nuckolls和其他研究人员将研究重点放在了扭曲的双层石墨烯上。

纳科尔斯说：“这确实是一种奇迹。” “它是碳原子的二维晶格，是很好的导电体，是已知的最坚固的晶体之一。”

石墨烯以看似简单但艰苦的方式生产：用胶带剥落石墨的大块晶体（与铅笔中的纯石墨相同）以除去顶层，直到最终达到单原子薄的碳层，并排列原子呈扁平的蜂窝状格子图案。

为了获得理想的量子效应，普林斯顿大学的研究人员按照Jarillo-Herrero的工作，将两层石墨烯彼此叠放，顶层略有倾斜。这种扭曲产生了莫尔纹，类似于法国的普通纺织品设计并以其命名。但是，重要的一点是石墨烯顶层的定位角度：精确地为1.1度，即产生量子效应的“魔术”角。

纳科尔斯说：“自然界中真是一个奇怪的小故障，需要实现的正是这个角度。”例如，将石墨烯的顶层倾斜1.2度不会产生任何影响。

研究人员产生了极低的温度，并产生了轻微的磁场。然后，他们使用了一种称为扫描隧道显微镜的机器，该机器依靠一种称为“量子隧道”的技术而不是光来观察原子和亚原子世界。他们将显微镜的导电金属尖端对准了魔角扭曲石墨烯的表面，并能够检测电子的能级。

他们发现，魔角石墨烯改变了电子在石墨烯片上的移动方式。亚兹达尼说：“它创造了一个条件，迫使电子具有相同的能量。” “我们称之为“扁平乐队”。”

当电子具有相同的能量时（在平坦的带状材料中），它们之间会非常强烈地相互作用。亚兹达尼说：“这种相互作用可以使电子做很多奇特的事情。”

研究人员发现，这些“异国情调”的事物之一是产生了意外的和自发的拓扑状态。

Yazdani解释说：“石墨烯的这种扭曲创造了在电子之间产生非常强相互作用的正确条件。” “而且这种相互作用出乎意料地有利于电子将自身组织成一系列拓扑量子态。”

具体来说，他们发现电子之间的相互作用产生了所谓的拓扑绝缘体。这些独特的器件在其内部充当绝缘体，这意味着内部的电子不能自由移动，因此不导电。但是，边缘上的电子可以自由移动，这意味着它们是导电的。此外，由于拓扑结构的特殊性质，沿边缘流动的电子不会受到任何缺陷或变形的阻碍。它们持续不断地流动，有效地规避了通常会阻碍电子运动的限制因素，例如材料表面的微小缺陷。

在工作过程中，亚兹达尼（Yazdani）的实验小组与另外两名普林斯顿人合作-物理学教授安德烈·伯恩维格（Andrei Bernevig）和物理学助理教授标廉（Biao Lian），以了解其发现的潜在物理机理。

“我们的理论表明，相互作用和拓扑结构这两个重要成分在本质上大多相互分离，在此系统中结合在一起，” Bernevig说。这种耦合产生了实验观察到的拓扑绝缘体状态。

尽管量子拓扑学领域相对较新，但它可以改变计算机科学。 Yazdani说：“人们谈论了它与量子计算的相关性，在这里您可以使用这些拓扑量子状态来制作更好的量子比特类型。” “我们试图做的事情的动机是了解如何在拓扑阶段内对量子信息进行编码。该领域的研究正在产生令人兴奋的新科学，并且可能对发展量子信息技术产生潜在影响。”

Yazdani和他的团队将继续他们的研究，以了解电子的相互作用如何引起不同的拓扑状态。

Yazdani说：“在这种材料系统中，拓扑和超导之间的相互作用非常有趣，这是我们接下来将要尝试理解的东西。”

除Yazdani，Nuckolls，Bernevig和Lian之外，该研究的贡献者还包括共同第一作者Myungchul Oh和Dillon Wong（博士后研究助理），以及日本国立材料科学研究所的渡边谦二和Takashi Taniguchi。

Kevin P. Nuckolls，Myungchul Oh，Dillon Wong，Biao Lian，Kenji Watanabe，Takashi Taniguchi，B.Andrei Bernevig和Ali Yazdani于12月14日出版了“魔术角扭曲双层石墨烯中高度相关的Chern绝缘子”。自然杂志（DOI：10.1038 / s41586-020-3028-8）。这项工作主要由戈登和贝蒂摩尔基金会的EPiQS计划（GBMF4530，GBMF9469）和能源部（DE-FG02-07ER46419和DE-SC0016239）支持。美国国家科学基金会（材料研究科学和工程中心通过普林斯顿复杂材料中心（NSF-DMR-1420541，NSF-DMR-1904442）和EAGER DMR-1643312），埃克森美孚公司为实验工作提供了其他支持。普林斯顿大学安德林格能源与环境中心，普林斯顿催化倡议，日本教育，文化，体育，科学和技术部实施的基本战略倡议（JPMXP0112101001，JSPS KAKENHI授予JP20H0035和CREST JPMJCR15F3），普林斯顿中心普林斯顿大学的理论科学，西蒙斯基金会，帕卡德基金会，施密特创新研究基金会，美国BSF以色列基金会（2018226），海军研究办公室（N00014-20-1-2303）和普林斯顿全球网络基金。