石墨烯又出新发现：能让电子产生拓扑量子态，革命性的巨大潜力！
电子似乎在一个奇怪而混乱的世界里，尽管科学家们对电子进行了一个多世纪的研究，但这些粒子从未停止过令人惊叹和迷惑。现在，更令人惊讶的是，物理学家发现，在一定条件下，相互作用的电子可以产生所谓的“拓扑量子态”，其研究发现发表在《自然》(Nature)期刊上，这对许多技术研究领域都有影响，尤其是信息技术。物质的拓扑态是一类特别耐人寻味的量子现象，研究结合了量子物理和拓扑学。
文章插图
拓扑学是理论数学的一个分支，研究可以变形但不能本质改变的几何性质。拓扑量子态第一次引起公众关注是在2016年，当时三名科学家因发现拓扑在电子材料中的作用而获得诺贝尔奖（普林斯顿大学托马斯·D·琼斯数学物理学教授邓肯·霍尔丹和谢尔曼·费尔柴尔德大学物理学教授，以及大卫·索利斯和迈克尔·科斯特利茨）。这项研究的资深作者、普林斯顿大学1909届物理学教授阿里·亚兹达尼(Ali Yazdani)说：过去十年，人们对电子的新拓扑量子态感到非常兴奋。
文章插图
在过去的十年里，发现的大部分东西都集中在电子如何获得这些拓扑性质上，而没有考虑到它们之间的相互作用。但通过使用一种名为魔角扭曲双层石墨烯的材料，研究团队能够探索相互作用的电子，是如何产生令人惊讶的物质相的。两年前，麻省理工学院(MIT)团队利用石墨烯诱导超导（电子在没有任何阻力情况下自由流动的状态）发现了石墨烯的非凡特性。这一发现立即被认为是探索不寻常量子现象的新材料平台。
文章插图
研究人员对这一发现很感兴趣，并着手进一步探索超导的错综复杂之处。但其发现引导他们走上了一条不同的、从未有人涉足的道路。研究的主要作者、物理学研究生凯文·努科尔斯(Kevin Nuckolls)说：这是一个不知从哪里冒出来的奇妙绕道，这完全出乎意料，我们注意到了一些非常重要的事情。效仿Jarillo-Herrero和他的团队，Yazdani、Nuckolls和其他研究人员将研究重点放在扭曲双层石墨烯上。
扭曲双层石墨烯
扭曲双层石墨烯是一种神奇的材料，这是一种碳原子的二维晶格，是一种很棒的电导体，也是已知最强的晶体之一。石墨烯是以一种看似简单但费力的方式生产：用胶带剥离石墨的大块晶体，同样是铅笔中的纯石墨，去掉顶层，直到最终形成单原子般薄的碳层，原子排列成扁平的蜂窝状晶格图案。为了获得想要的量子效应，普林斯顿大学研究人员按照Jarillo-Herrero的研究，将两张石墨烯放在彼此的顶部，顶层略有倾斜。
文章插图
这种扭曲形成了一种莫尔图案，它类似于一种常见的法国纺织品设计，并以此命名。然而，重要的一点是石墨烯顶层所处的角度：准确地说是1.1度，这是产生量子效应的“魔角”角度。在自然界中，这是一个非常奇怪的，需要达到的正是这个角度，例如，将石墨烯顶层倾斜1.2度就不会产生任何效果。研究人员产生了极低的温度，并产生了轻微的磁场，然后使用了一种名为扫描隧道显微镜的机器。
文章插图
这种显微镜依靠一种叫做“量子隧道”的技术，而不是光来观察原子和亚原子世界。研究人员将显微镜的导电金属尖端指向“魔角”扭曲双层石墨烯表面，并能够探测到电子的能级。发现，魔角石墨烯改变了电子在石墨烯薄片上的运动方式，似乎创造了一种条件，迫使电子处于相同的能量，研究人员称之为‘平带’。当电子具有相同的能量（在平带材料中）它们相互作用非常强烈，这种相互作用可以让电子做很多奇特的事情。
拓扑量子态
而这些奇特现象就是产生意想不到的自发拓扑状态。石墨烯的这种扭曲创造了合适条件，可以在电子之间产生非常强的相互作用。这种相互作用出人意料地有利于电子将自己组织成一系列拓扑量子态。具体地说，研究发现电子之间的相互作用产生了拓扑绝缘体。这是一种独特的装置，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。然而，边缘上的电子可以自由移动，这意味着它们是导电的。
推荐阅读
- 海王星天体行星9 在45亿公里外，新发现139颗跨海王星天体行星9也许也藏身于此
- 天体 中国天眼FAST又有新发现：201颗脉冲星！天文领域重大贡献！
- 物理学家 违反爱因斯坦的理论定律：这一黑洞新发现，打破了黑洞无毛定理
- 计算机 最新发现时间可以倒流三体黑洞，在普朗克尺度效应下发生了
- 象牙 三星堆新发现丨4号坑完成47根象牙提取 青铜组件期待还原
- 文字 三星堆新发现② 再次发现大量丝绸痕迹 未来将从丝绸上寻找文字
- 火山 真的有外星生命?木卫二宜居条件越来越多，科学家又有新发现
- 材料 重大突破！科学家发现新型原子级碳材料 储锂性能优于石墨烯
- 橄榄石 中国嫦娥四号新发现！！或将证实月球上一座大型陨石坑的成因！
- 玉兔二号 嫦娥4号休眠前有新发现，世界各国科学家都佩服不已太厉害了