Физики разработали топологический кристалл с проводящими краями из скрученного графена

Международный коллектив исследователей выявил новый класс квантовых состояний в специально разработанной графеновой структуре. Это исследование, представленное в журнале Nature, было проведено совместно учеными из Университета Британской Колумбии, Вашингтонского университета и Университета Джонса Хопкинса.

В основе данного открытия лежит уникальная архитектура, состоящая из двух и трёх слоёв графена, уложенных друг на друга под специфическим углом. Профессор Джошуа Фолк из кафедры физики и астрономии UBC и Института квантовых материалов Блюссона объясняет, что основой служат графеновые хлопья с атомной структурой углерода, представляющей собой соты.

Когда слои графена наложены с небольшим поворотом, формируется геометрический интерференционный феномен, именуемый муаровым узором. В некоторых зонах полученной структуры атомы углерода из разных слоёв точно совпадают, тогда как в других они смещены. Это радикально изменяет электронные свойства материала: электроны значительно замедляются и начинают вращаться по спирали, подобно водовороту.

В ходе экспериментов была выявлена уникальная конфигурация устройства, в которой электроны образуют идеально упорядоченную сетку, оставаясь неподвижными, но синхронно вращающимися на месте. Это синхронизированное движение приводит к феномену, где электрический ток свободно протекает по краям образца, в то время как внутренняя часть остаётся изолированной из-за зафиксированных электронов.

Особенно примечательно, что величина тока, движущегося по краю, определяется точным соотношением двух фундаментальных констант – постоянной Планка и зарядом электрона. Точность этого значения гарантируется топологическими свойствами электронного кристалла, описывающими качества объектов, остающиеся неизменными при умеренных деформациях.

Профессор Янковиц сравнивает это с лентой Мёбиуса – объектом, который невозможно трансформировать в обычное кольцо без разрыва. Аналогичным образом вращение электронов в кристалле создаёт уникальные краевые состояния, при которых электроны могут свободно перемещаться без сопротивления, оставаясь при этом зафиксированными внутри кристалла.

Данное открытие не только обогащает фундаментальные знания, но также открывает новые перспективы для развития квантовых вычислительных технологий. В частности, учёные рассматривают возможность объединения топологического электронного кристалла с явлением сверхпроводимости для создания кубитов в топологических квантовых компьютерах.

Источник: iXBT