Grafen, även känt som mirakelmaterialet, fortsätter att överraska forskarna. Den här gången har den avslöjat nya kvanttillstånd. En grupp forskare har hittat märkliga topologiska elektroniska kristaller i vridna grafenlager.
Deras studie belyser ett speciellt sätt att ordna elektroner i grafen, där de fryser till ett perfekt ordnat mönster. Förvånansvärt nog, medan de förblir låsta på plats, snurrar alla elektroner tillsammans som balettdansare som utför synkroniserade piruetter utan att röra sig.
Detta ovanliga kvantbeteende gör att elektrisk ström kan flyta smidigt längs materialets kanter medan det inre förblir icke-ledande eftersom elektronerna sitter fast på plats.
I framtiden kan sådana kvanttillstånd användas för utveckling av energieffektiva elektroniska enheter och feltoleranta kvantberäkningstillämpningar.
Betydelsen av topologi
Topologi är studiet av former och utrymmen som inte förändras även om de sträcks ut, vrids eller deformeras – utan skärning eller limning.
”Ett vardagligt exempel på topologi är Möbiusremsan – ett enkelt men ändå häpnadsväckande objekt. Häpnadsväckande nog, oavsett hur du försöker manipulera remsan, kan du inte vrida upp den igen till en normal slinga utan att riva isär den”, konstaterar studieförfattarna.
Ett material som uppvisar topologi är av stor betydelse eftersom det har den kusliga förmågan att förbli opåverkat av yttre faktorer. Ett sådant material kan uppvisa ett robust kvantbeteende, eftersom dess kvanttillstånd i ett sådant material är immuna mot små störningar.
Till exempel är topologiska elektroniska kristaller som den som nämns i den aktuella studien ganska speciella. I dessa unika kristaller rör sig elektroner på ett mycket stabilt sätt, oavsett om det finns små defekter eller föroreningar i materialet.
Det som gör dem speciella är att deras stabilitet kommer från materialets inre struktur och inte från yttre påverkan som temperatur eller tryck.
Dessa kristaller är dock sällsynta eftersom endast vissa material har rätt atomarrangemang för att stödja topologiskt elektronbeteende.
Att hitta topologisk elektronisk kristall i grafen
Studieförfattarna började med två tunna lager (flingor) av grafen, ett material som består av kolatomer arrangerade i ett bikakemönster. Normalt rör sig elektroner i grafen fritt, ungefär som de gör i metaller som koppar.
Därefter staplade de de två grafenlagren ovanpå varandra men roterade det ena något. Denna lilla vridning skapade ett intressant mönster som kallas ett moiré-mönster, där vissa kolatomer från båda lagren var perfekt justerade, men andra var feljusterade.
När elektroner rörde sig genom denna vridna struktur förändrades deras beteende helt. ”Till exempel saktar elektronerna ner, och ibland utvecklar de en vridning i sin rörelse, som virveln i vattnet vid avloppet i ett badkar när det rinner ut”, säger Joshua Folk, en av studieförfattarna och fysikprofessor vid University of British Columbia (UBC).
Detta beteende resulterade i en märklig elektronisk effekt. Inuti materialet frusna elektroner på plats, vilket fick det att fungera som en isolator. Men längs kanterna rörde sig elektroner utan ansträngning, vilket gjorde att elektricitet kunde flöda utan motstånd.
Generellt, när elektroner fryser och sätter sig ner, kallas en sådan struktur för Wigner-kristallen. Men i det här fallet resulterade elektronernas rotationsrörelse längs kanterna i något annat – den topologiska elektroniska kristallen.
”Rotationen av elektronerna i kristallen är analog med vridningen i Möbiusremsan och leder till den anmärkningsvärda egenskapen hos den topologiska elektroniska kristallen som aldrig tidigare setts i de sällsynta fall där elektronkristaller har observerats tidigare”, säger studieförfattarna.
Denna sällsynta upptäckt kan bidra till utvecklingen av högeffektiva elektroniska tillämpningar och kvantdatortillämpningar.
Studien är publicerad i tidskriften Nature.
Lämna kommentar