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美國哈佛與麻省理工《Nature》:弱磁場下扭曲雙層石墨烯奇異分數態首現--有助未來量子設備研發應用
2021-12-22 07:00:00   來源:新材料在線   

美國哈佛大學與麻省理工學院的研究人員合作,首次在弱磁場下觀察到扭曲的雙層石墨烯的奇異分數態。這項研究發表在15日的《自然》雜志上,為未來的量子設備和應用鋪平了道路。


奇異的量子粒子和現象只有最極端的條件才會出現。換句話說,必須具備極低的溫度或極高的磁場。人們已經對室溫超導做了很多研究,但在弱磁場至零磁場下產生奇異的分數電荷粒子,對未來量子材料和應用同樣重要,包括新型量子計算。這項研究的資深作者、哈佛大學工程與應用科學學院物理學和應用物理學教授阿米爾·亞科比說:“凝聚態物理領域的目標之一是獲得磁場低到零的奇異粒子。有理論預測說,我們應該能看到這些弱至零磁場的奇異粒子,但此前還沒有人能觀察到它!


研究人員從一種被稱為“分數陳絕緣體”的特殊量子狀態著手。陳絕緣體是拓撲絕緣體,這意味著它們在表面或邊緣導電,但在中間不導電。在分數陳絕緣體中,電子相互作用形成所謂的準粒子,這是一種從大量其他粒子之間復雜的相互作用中產生的粒子。和基本粒子一樣,準粒子也有明確的性質,比如質量和電荷。


在分數陳絕緣體中,材料內部的電子相互作用非常強,準粒子被迫攜帶正常電子電荷的一小部分。這些分數粒子具有奇特的量子特性,可用于創建強大的量子比特,對外界干擾具有極強的彈性。


為了建造絕緣體,研究人員使用了兩片石墨烯,它們以所謂的“魔角”扭曲在一起。扭曲揭示了石墨烯新的、不同的性質,包括超導性,以及被稱為“陳能帶”的狀態,這些狀態具有產生分數量子態的巨大潛力。


研究人員稱,這些陳能帶就像裝滿電子的水桶。為了產生分數態,研究人員需要在“水桶”中的一小部分裝滿電子。但只有當“桶”中的所有電子必須具有幾乎相同的性質時,電子的貝里曲率變得均勻,才能出現分數的陳絕緣態。為此,研究人員添加了一個非常小的磁場,使電子之間均勻分布貝里曲率,從而能在扭曲的雙層石墨烯中觀察到分數的陳絕緣體。


研究人員表示,在魔角扭曲的雙層石墨烯中發現了低磁場分數的陳絕緣體,開啟了拓撲量子物質領域的新篇章。它提供了將這些奇異狀態與超導電性耦合起來的現實前景,可能會創造和控制更奇異的拓撲準粒子,也就是所謂的“任意子”。


封面圖來源圖蟲創意


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