Naukowcy z Uniwersytetu Kolumbii Brytyjskiej, Uniwersytetu Waszyngtońskiego i Uniwersytetu Johnsa Hopkinsa zidentyfikowali nową klasę stanów kwantowych w specjalnie zaprojektowanej strukturze grafenu. Wyniki badania opublikowane dzisiaj w Nature donoszą o odkryciu topologicznych kryształów elektronicznych w skręconym dwuwarstwowym i trójwarstwowym grafenie – systemie utworzonym poprzez wprowadzenie precyzyjnego skrętu obrotowego pomiędzy ułożonymi w stos dwuwymiarowymi materiałami.
„Punktem wyjścia dla tej pracy są dwa płatki grafenu, które składają się z atomów węgla ułożonych w strukturę plastra miodu. Sposób, w jaki elektrony przeskakują między atomami węgla, determinuje właściwości elektryczne grafenu, który z pozoru jest podobny do bardziej zwykłych przewodników, takich jak miedź” – powiedział prof. Joshua Folk, członek Wydziału Fizyki i Astronomii UBC oraz Instytutu Materii Kwantowej Blusson (UBC Blusson QMI).
„Następnym krokiem jest ułożenie dwóch płatków w stos z niewielkim skrętem między nimi. Generuje to geometryczny efekt interferencji znany jako wzór mory: w niektórych obszarach stosu atomy węgla z dwóch płatków znajdują się bezpośrednio na sobie, podczas gdy w innych regionach atomy są przesunięte” – powiedział Folks.
„Kiedy elektrony przeskakują przez ten wzór mory w skręconym stosie, właściwości elektroniczne ulegają całkowitej zmianie. Na przykład elektrony zwalniają i czasami w swoim ruchu tworzą się skręty, jak wir w wodzie przy odpływie wannie, gdy woda wypływa.”
Przełomowego odkrycia zgłoszonego w tym badaniu dokonał student studiów licencjackich Ruiheng Su z UBC, badający skręconą próbkę grafenu przygotowaną przez dr Dacena Watersa, doktora habilitowanego w laboratorium prof. Matthew Yankowitza na Uniwersytecie Waszyngtońskim. Pracując nad eksperymentem w laboratorium Folka, Ruiheng odkrył unikalną konfigurację urządzenia, w której elektrony w grafenie zamarzają, tworząc idealnie uporządkowany układ, zablokowany w miejscu, a jednocześnie wirujący zgodnie jak tancerze baletowi z wdziękiem wykonujący stacjonarne piruety. Ten zsynchronizowany obrót powoduje niezwykłe zjawisko, w którym prąd elektryczny przepływa bez wysiłku wzdłuż krawędzi próbki, podczas gdy wnętrze pozostaje izolacyjne, ponieważ elektrony są unieruchomione.
Co ciekawe, ilość prądu płynącego wzdłuż krawędzi jest precyzyjnie określona przez stosunek dwóch podstawowych stałych naturalnych – stałej Plancka i ładunku elektronu. Dokładność tej wartości gwarantuje właściwość kryształu elektronowego zwana topologią, która opisuje właściwości obiektów, które pozostają niezmienione przy niewielkich odkształceniach.
„Tak jak pączka nie można łatwo przekształcić w precla bez uprzedniego jego rozcięcia, tak krążący kanał elektronów wokół granicznego kryształu elektronowego 2D pozostaje niezakłócony przez zaburzenia w otaczającym go środowisku” – powiedział Yankowitz.
„Prowadzi to do paradoksalnego zachowania topologicznego kryształu elektronicznego, niespotykanego w konwencjonalnych kryształach Wignera z przeszłości – pomimo tego, że kryształ tworzy się po zamrożeniu elektronów w uporządkowany układ, może on jednak przewodzić prąd wzdłuż swoich granic”.
Codziennym przykładem topologii jest wstęga Möbiusa – prosty, ale zapierający dech w piersiach obiekt. Wyobraź sobie, że bierzesz pasek papieru, formujesz go w pętelkę i sklejasz końce razem. Teraz weź kolejny pasek, ale przed połączeniem końcówek przekręć go jednym skrętem. Rezultatem jest wstęga Möbiusa, powierzchnia mająca tylko jedną stronę i jedną krawędź. Co zaskakujące, niezależnie od tego, jak bardzo będziesz próbował manipulować paskiem, nie da się go odkręcić z powrotem w normalną pętlę bez rozerwania go na kawałki.
Rotacja elektronów w krysztale jest analogiczna do skręcenia w pasku Möbiusa i prowadzi do niezwykłej charakterystyki topologicznego kryształu elektronicznego, nigdy wcześniej nie widzianej w rzadkich przypadkach, gdy kryształy elektronów obserwowano w przeszłości: krawędzi, przez które przepływają elektrony bez oporu, opisują bycie zamkniętym w samym krysztale.
Topologiczny kryształ elektronowy jest nie tylko fascynujący z koncepcyjnego punktu widzenia, ale także otwiera nowe możliwości postępu w informacji kwantowej. Należą do nich przyszłe próby połączenia topologicznego kryształu elektronowego z nadprzewodnictwem, tworząc podstawę kubitów dla topologicznych komputerów kwantowych.