Elektronen bewonen een vreemde en roerige wereld. Deze oneindig kleine deeltjes zijn nooit opgehouden te verbazen en te verbazen, ondanks de meer dan een eeuw dat wetenschappers ze hebben bestudeerd. Nutsvoorzieningen, in een nog meer verbazingwekkende wending, natuurkundigen hebben ontdekt dat onder bepaalde omstandigheden, Interagerende elektronen kunnen zogenaamde 'topologische kwantumtoestanden' creëren. Deze vonst, die onlangs in het tijdschrift werd gepubliceerd Natuur , heeft implicaties voor vele technologische vakgebieden, vooral informatietechnologie.

Topologische toestanden van materie zijn bijzonder intrigerende klassen van kwantumverschijnselen. Hun studie combineert kwantumfysica met topologie, dat is de tak van de theoretische wiskunde die geometrische eigenschappen bestudeert die kunnen worden vervormd maar niet intrinsiek veranderd. Topologische kwantumtoestanden kwamen voor het eerst onder de aandacht van het publiek in 2016 toen drie wetenschappers - Princeton's Duncan Haldane, die Thomas D. Jones Professor van Mathematische Fysica en Sherman Fairchild University Professor of Physics van Princeton is, samen met David Thouless en Michael Kosterlitz - kregen de Nobelprijs voor hun werk bij het blootleggen van de rol van topologie in elektronische materialen.

"Het afgelopen decennium is er nogal wat opwinding geweest over nieuwe topologische kwantumtoestanden van elektronen, " zei Ali Yazdani, de Class of 1909 Professor of Physics aan Princeton en de senior auteur van de studie. "Het meeste van wat we in het afgelopen decennium hebben ontdekt, was gericht op hoe elektronen deze topologische eigenschappen krijgen, zonder erover na te denken dat ze met elkaar in wisselwerking staan."

Maar door een materiaal te gebruiken dat bekend staat als magic-angle twisted bilayer grafeen, Yazdani en zijn team waren in staat om te onderzoeken hoe interagerende elektronen aanleiding kunnen geven tot verrassende fasen van materie.

De opmerkelijke eigenschappen van grafeen werden twee jaar geleden ontdekt toen Pablo Jarillo-Herrero en zijn team van het Massachusetts Institute of Technology (MIT) het gebruikten om supergeleiding te induceren - een toestand waarin elektronen vrij kunnen stromen zonder enige weerstand. De ontdekking werd onmiddellijk erkend als een nieuw materiaalplatform voor het onderzoeken van ongebruikelijke kwantumverschijnselen.

Yazdani en zijn collega-onderzoekers waren geïntrigeerd door deze ontdekking en gingen op zoek naar de fijne kneepjes van supergeleiding.

Maar wat ze ontdekten leidde hen op een ander en onbetreden pad.

"Dit was een prachtige omweg die uit het niets kwam, " zei Kevin Nuckolls, de hoofdauteur van het artikel en een afgestudeerde student natuurkunde. "Het was totaal onverwacht, en iets waarvan we merkten dat het belangrijk zou worden."

Naar het voorbeeld van Jarillo-Herrero en zijn team, Yazdani, Nuckolls en de andere onderzoekers richtten hun onderzoek op gedraaid dubbellaags grafeen.

"Het is echt een wondermateriaal, "Zei Nuckolls. "Het is een tweedimensionaal rooster van koolstofatomen dat een geweldige elektrische geleider is en een van de sterkste kristallen die bekend is."

Grafeen wordt op een bedrieglijk eenvoudige maar nauwgezette manier geproduceerd:een bulkkristal van grafiet, hetzelfde pure grafiet in potloden, wordt geëxfolieerd met plakband om de bovenste lagen te verwijderen totdat uiteindelijk een enkel atoom dunne laag koolstof wordt bereikt, met atomen gerangschikt in een plat honingraatroosterpatroon.

Om het gewenste kwantumeffect te krijgen, de Princeton-onderzoekers, in navolging van het werk van Jarillo-Herrero, plaatste twee vellen grafeen op elkaar met de bovenste laag iets schuin. Door deze draaiing ontstaat een moirépatroon, die lijkt op en is vernoemd naar een veelvoorkomend Frans textielontwerp. Het belangrijke punt, echter, is de hoek waaronder de bovenste laag grafeen staat:precies 1,1 graden, de "magische" hoek die het kwantumeffect produceert.

"Het is zo'n rare storing in de natuur, "Nuckolls zei, "dat het precies deze ene hoek is die moet worden bereikt." De bovenste laag grafeen onder een hoek van 1,2 graden zetten, bijvoorbeeld, heeft geen effect.

De onderzoekers genereerden extreem lage temperaturen en creëerden een licht magnetisch veld. Vervolgens gebruikten ze een machine die een scanning tunneling microscoop wordt genoemd, die vertrouwt op een techniek die "kwantumtunneling" wordt genoemd in plaats van licht om de atomaire en subatomaire wereld te bekijken. Ze richtten de geleidende metalen punt van de microscoop op het oppervlak van het met een magische hoek gedraaide grafeen en waren in staat om de energieniveaus van de elektronen te detecteren.

Ze ontdekten dat het magische hoekgrafeen veranderde hoe elektronen op het grafeenblad bewogen. "Het creëert een toestand die de elektronen dwingt om dezelfde energie te hebben, "zei Yazdani. "We noemen dit een 'platte band'."

Wanneer elektronen dezelfde energie hebben - zich in een vlak bandmateriaal bevinden - interageren ze zeer sterk met elkaar. "Dit samenspel kan ervoor zorgen dat elektronen veel exotische dingen doen, ' zei Yazdani.

Een van deze "exotische" dingen, ontdekten de onderzoekers, was het creëren van onverwachte en spontane topologische toestanden.

"Deze verdraaiing van het grafeen schept de juiste omstandigheden om een ​​zeer sterke interactie tussen elektronen te creëren, " legde Yazdani uit. "En deze interactie geeft onverwacht de voorkeur aan elektronen om zichzelf te organiseren in een reeks topologische kwantumtoestanden."

specifiek, ze ontdekten dat de interactie tussen elektronen creëert wat topologische isolatoren worden genoemd. Dit zijn unieke apparaten die fungeren als isolatoren in hun interieur, wat betekent dat de elektronen binnenin niet vrij kunnen bewegen en daarom geen elektriciteit geleiden. Echter, de elektronen aan de randen kunnen vrij bewegen, wat betekent dat ze geleidend zijn. Bovendien, vanwege de speciale eigenschappen van topologie, de langs de randen stromende elektronen worden niet gehinderd door defecten of vervormingen. Ze stromen continu en omzeilen effectief de beperkingen - zoals minuscule onvolkomenheden in het oppervlak van een materiaal - die typisch de beweging van elektronen belemmeren.

Tijdens de werkzaamheden, Yazdani's experimentele groep werkte samen met twee andere Princetonians - Andrei Bernevig, hoogleraar natuurkunde, en Biao Lian, assistent-professor natuurkunde - om het onderliggende fysieke mechanisme voor hun bevindingen te begrijpen.

"Onze theorie laat zien dat twee belangrijke ingrediënten - interacties en topologie - die in de natuur meestal losgekoppeld van elkaar lijken, combineren in dit systeem, "Zei Bernevig. Deze koppeling creëert de topologische isolatortoestanden die experimenteel werden waargenomen.

Hoewel het gebied van kwantumtopologie relatief nieuw is, het heeft een groot potentieel voor een revolutie op het gebied van elektrotechniek, materiaalkunde en in het bijzonder informatica.

"Mensen praten veel over de relevantie ervan voor kwantumcomputers, waar je deze topologische kwantumtoestanden kunt gebruiken om betere soorten kwantumbits te maken, " zei Yazdani. "De motivatie voor wat we proberen te doen is te begrijpen hoe kwantuminformatie kan worden gecodeerd in een topologische fase. Onderzoek op dit gebied levert opwindende nieuwe wetenschap op en kan een potentiële impact hebben bij het bevorderen van kwantuminformatietechnologieën."

Yazdani en zijn team zullen hun onderzoek voortzetten om te begrijpen hoe de interacties van elektronen aanleiding geven tot verschillende topologische toestanden.

"Het samenspel tussen de topologie en supergeleiding in dit materiële systeem is behoorlijk fascinerend en is iets dat we hierna zullen proberen te begrijpen, ' zei Yazdani.