“Magical” Angle Graphene at ang Pagbubuo ng Mga Hindi inaasahang Topological Quantum States

Ang isang pangkat ng mga pisiko na pinangunahan ni Princeton ay natuklasan na sa ilalim ng ilang mga kundisyon, ang mga nakikipag-ugnay na electron ay maaaring lumikha ng tinatawag na “topological quantum states,” na may implikasyon para sa maraming mga larangan ng teknolohiya na pag-aaral, partikular na ang teknolohiya ng impormasyon. Ang diagram na ito ng isang pag-scan ng tunneling microscope ay nagpapakita ng isang mahiwagang anggulo na baluktot na bilayer graphene. Kredito: Kevin Nuckolls, Kagawaran ng Physics, Princeton University

Ang mga electron ay naninirahan sa isang kakaiba at nababagabag na mundo. Ang mga napakaliit na maliit na maliit na butil na ito ay hindi tumitigil upang humanga at humanga, kahit na tumagal ng higit sa isang siglo ang mga siyentipiko upang pag-aralan ang mga ito. Ngayon, kahit na mas nakakagulat, natuklasan ng mga physicist na sa ilalim ng ilang mga kundisyon, ang mga nakikipag-ugnay na electron ay maaaring lumikha ng tinatawag na “topological quantum states.” Ang paghahanap na ito, na-publish kamakailan sa journal Kalikasanay may implikasyon para sa maraming mga larangan ng teknolohiya na pag-aaral, partikular ang teknolohiyang impormasyon.

Ang mga pang-topolohikal na estado ng bagay ay partikular na kagiliw-giliw na mga klase ng mga phenum na phenum. Pinagsasama ng kanyang trabaho ang kabuuan ng physics sa topology, isang sangay ng teoretikal na matematika na nag-aaral ng mga katangian ng geometriko na maaaring mabago ngunit hindi mababago sa loob. Ang mga estado ng topological quantum ay unang nakuha ang pansin ng publiko noong 2016 nang tatlong siyentipiko – Princeton Duncan Haldane, Princeton’s Thomas D. Gantimpala para sa kanyang trabaho sa paghahayag ng papel ng topology sa mga elektronikong materyales.

“Ang huling dekada ay nakakita ng maraming kaguluhan tungkol sa mga bagong topological dami ng estado ng mga electron,” sabi ni Ali Yazdani, 1909 Propesor ng Physics sa Princeton at nakatatandang may-akda ng pag-aaral. “Karamihan sa natuklasan natin noong nakaraang dekada ay nakatuon sa kung paano nakuha ng mga electron ang mga topological na katangian na ito nang hindi iniisip na nakikipag-ugnayan sila sa isa’t isa.”

Ngunit ang paggamit ng isang materyal na kilala bilang isang anggulo ng mahika na baluktot na dobleng layer grapheneNagawang tuklasin ni Yazdani at ng kanyang koponan kung paano maaaring humantong sa nakakagulat na mga yugto ng bagay ang pakikipag-ugnay na mga electron.

Mga Topological Quantum States

Ang isang pangkat ng mga pisiko na pinangunahan ni Princeton ay natuklasan na sa ilalim ng ilang mga kundisyon, ang mga nakikipag-ugnay na electron ay maaaring lumikha ng tinatawag na “topological quantum states,” na may implikasyon para sa maraming mga larangan ng teknolohiya na pag-aaral, partikular na ang teknolohiya ng impormasyon. Ipinapakita ng diagram na ito ang iba’t ibang mga kaso ng pagkakabukod, bawat isa ay nailalarawan sa pamamagitan ng isang integer na tinatawag na “Chern number” na nakikilala sa pagitan ng iba’t ibang mga topological phase. Kredito: Kevin Nuckolls, Kagawaran ng Physics, Princeton University

Ang mga pambihirang katangian ng graphene ay dalawang taon na ang nakalilipas ni Pablo Jarillo-Herrero at ng kanyang koponan sa Massachusetts Institute of TechnologyMAY) ginamit upang mahimok ang superconductivity – isang estado kung saan malayang dumadaloy ang mga electron nang walang paglaban. Ang pagtuklas ay kaagad na kinilala bilang isang bagong materyal na platform para sa pagtuklas ng hindi kinaugalian na phenum phenum.

Si Yazdani at iba pang mga mananaliksik ay interesado sa pagtuklas na ito at nagtakda upang higit pang tuklasin ang mga intricacies ng superconductivity.

Ngunit ang natuklasan ay tumagal sa kanila sa ibang at paningin na daanan.

“Ito ay isang kamangha-manghang pagliko na lumabas mula sa kung saan,” sabi ni Kevin Nuckolls, ang nangungunang may-akda ng papel at isang nagtapos na mag-aaral sa pisika. “Ito ay ganap na hindi inaasahan at isang bagay na napansin natin ang magiging mahalaga.”

Kasunod sa halimbawa ni Jarillo-Herrero at ng kanyang koponan, sina Yazdani, Nuckolls at iba pang mga mananaliksik ay nakatuon sa kanilang pagsasaliksik sa baluktot na bilayer graphene.

“Ito ay tunay na isang materyal na himala,” sabi ni Nuckolls. “Ito ay isang two-dimensional lattice ng carbon atoms, isang kahanga-hangang conductor ng kuryente at isa sa pinakamakapangyarihang kristal na kilala.”

Ang Graphene ay ginawang mapanlinlang ngunit mahirap: isang salansan ng mga kristal na grapayt, ang parehong dalisay na grapayt sa mga lapis, ay pinalabas gamit ang malagkit na tape upang alisin ang mga nangungunang mga layer hanggang sa huli ay maabot nila ang isang solong punto.atomo– manipis na layer ng carbon kung saan ang mga atomo ay nakaayos sa isang patag na pattern ng latcice ng honeycomb.

Kasunod sa trabaho ni Jarillo-Herrero upang makamit ang nais na epekto sa kabuuan, ang mga mananaliksik ng Princeton ay naglagay ng dalawang layer ng graphene sa tuktok ng bawat isa na may tuktok na layer na medyo anggulo. Ang pag-ikot na ito ay lumilikha ng isang pattern ng moire na kahawig ng isang karaniwang disenyo ng tela ng Pransya at nakakuha ng pangalan nito. Ngunit ang punto ay ang anggulo kung saan nakalagay ang tuktok na layer ng graphene: eksaktong 1.1 degree, ang “mahika” na anggulo na gumagawa ng dami na epekto.

“Isang kakaibang glitch sa kalikasan,” sabi ni Nuckolls, “tiyak na ang isang anggulong ito upang makamit.” Halimbawa, ang baluktot na tuktok na layer ng graphene sa 1.2 degree ay walang epekto.

Gumawa ang mga mananaliksik ng napakababang temperatura at lumikha ng isang bahagyang magnetic field. Gumamit sila pagkatapos ng isang makina na tinatawag na isang pag-scan ng tunneling microscope, na umaasa sa diskarteng tinatawag na “quantum tunneling” kaysa sa ilaw upang tingnan ang atomic at subatomic world. Dinirekta nila ang conductive metal na dulo ng mikroskopyo sa ibabaw ng mahiwagang anggulo na baluktot na graphene at nakita ang mga antas ng enerhiya ng mga electron.

Natagpuan nila na binago ng mahiwagang anggulo ng graphene ang paraan ng paglipat ng mga electron sa sheet na graphene. Sinabi ni Yazdani, “Lumilikha ito ng isang sitwasyon na pinipilit ang mga electron na maging pareho ng enerhiya.” Tinatawag namin itong ‘flat band’. “

Kapag ang mga electron ay may parehong enerhiya – kapag sila ay nasa isang flat material na banda – masyadong malakas silang nakikipag-ugnayan sa bawat isa. “Ang pakikipag-ugnayan na ito ay maaaring maging sanhi ng mga electron na gumawa ng maraming mga kakaibang bagay,” sabi ni Yazdani.

Isa sa mga “kakaibang” bagay na natuklasan ng mga mananaliksik ay ang paglikha ng mga hindi inaasahang at kusang topological na sitwasyon.

“Ang baluktot ng graphene na ito ay lumilikha ng mga tamang kondisyon para sa paglikha ng isang napakalakas na pakikipag-ugnayan sa pagitan ng mga electron,” sabi ni Yazdani. “At ang pakikipag-ugnayan na ito ay hindi inaasahan na makakatulong sa mga electron na ayusin ang kanilang mga sarili sa isang serye ng mga topological na dami ng estado.”

Partikular, natuklasan nila na ang pakikipag-ugnayan sa pagitan ng mga electron ay lumilikha ng tinatawag na topological insulator. Ito ang mga natatanging aparato na kumikilos bilang mga insulator sa loob; Nangangahulugan ito na ang mga electron dito ay hindi malayang gumagalaw at samakatuwid ay hindi nagsasagawa ng kuryente. Gayunpaman, ang mga electron sa mga gilid ay malayang gumagalaw, ibig sabihin, mga conductor. Gayundin, dahil sa mga espesyal na katangian ng topology, ang mga electron na dumadaloy kasama ang mga gilid ay hindi hinarangan ng anumang mga depekto o pagpapapangit. Patuloy silang dumadaloy at nadaig ang mga hadlang, tulad ng mga menor de edad na depekto sa ibabaw ng isang materyal, na karaniwang pinipigilan ang paggalaw ng mga electron.

Sa panahon ng pag-aaral, ang pangkat ng eksperimentong Yazdani ay nakipagtagpo sa dalawa pang Princetonians – propesor ng pisika na si Andrei Bernevig at propesor ng pisika na si Biao Lian – upang maunawaan ang mekanismong pisikal na pinagbabatayan ng kanilang mga natuklasan.

“Ipinapakita ng aming teorya na ang dalawang mahahalagang bahagi – pakikipag-ugnayan at topolohiya – na tila madalas na magkahiwalay sa likas na katangian – ay nagkakaisa sa sistemang ito,” sabi ni Bernevig. Ang koneksyon na ito ay lumilikha ng mga topological insulator na estado na eksperimentong sinusunod.

Bagaman bago ang larangan ng kabuuan ng topology, may potensyal itong baguhin ang larangan ng electrical engineering, material science, at lalo na ang computer science.

“Maraming pinag-uusapan ang mga tao tungkol sa kaugnayan nito. computing ng kabuuanIyon ay kung saan maaari mong gamitin ang mga pang-topological na dami ng estado upang makagawa ng mas mahusay na mga uri ng kabuuan ng bit, “sinabi ni Yazdani. “Ang pagganyak para sa kung ano ang sinusubukan naming gawin ay upang maunawaan kung paano maaaring ma-encode ang bilang ng impormasyon sa isang yugto ng topological. Ang pananaliksik sa lugar na ito ay bumubuo ng kapanapanabik na bagong agham at maaaring magkaroon ng potensyal na epekto sa pagsulong ng mga teknolohiya ng kabuuan ng impormasyon. “

Si Yazdani at ang kanyang koponan ay magpapatuloy sa kanilang pagsasaliksik upang maunawaan kung paano humahantong ang mga pakikipag-ugnayan ng mga electron sa iba’t ibang mga pang-topolohikal na estado.

“Ang pakikipag-ugnayan sa pagitan ng topolohiya at superconductivity sa sistemang materyal na ito ay lubos na kahanga-hanga at isang bagay na susubukan nating maunawaan sa paglaon,” sabi ni Yazdani.

Bilang karagdagan kina Yazdani, Nuckolls, Bernevig, at Lian, ang mga nag-ambag sa pag-aaral ay kasama ang mga maagang may-akda na sina Myungchul Oh at Dillon Wong, pati na rin ang mga katulong na postdoctoral na pananaliksik, at Kenji Watanabe at Takashi Taniguchi mula sa National Institute of Materials Science sa Japan.

Sanggunian: Kevin P. Nuckolls, Myungchul Oh, Dillon Wong, Biao Lian, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, B. Andrei Bernevig at Ali Yazdani, “Mahigpit na Kaugnay na Mga Insulator ng Chern sa Magically Angled Twisted Bilayer Graphene”, 14 Dis 2020, Kalikasan.
DOI: 10.1038 / s41586-020-3028-8

Ang gawaing ito ay pangunahing suportado ng inisyatiba ng Gordon at Betty Moore Foundation na EPiQS (GBMF4530, GBMF9469) at ang Kagawaran ng Enerhiya (DE-FG02-07ER46419 at DE-SC0016239). Ang iba pang suporta para sa pang-eksperimentong gawain ay ibinigay ng National Science Foundation (The Princeton Center for Complex Materials (NSF-DMR-1420541, NSF-DMR-1904442) at ang Materials Research Science and Engineering Center sa pamamagitan ng EAGER DMR-1643312), ExxonMobil. Andlinger Energy and Environment Center sa Princeton, Princeton Catalysis Initiative, Elemental Strategy Initiative (JPMXP0112101001, JSPS KAKENHI bigyan ang JP20H0035 at CREST JPMJCR15F3), Princeton Center para sa Theoretical Science unibersidad ng PrincetonSimons Foundation, Packard Foundation, Innovative Research Schmidt Fund, BSF Israel US Foundation (2018226), Marine Research Office (N00014-20-1-2303) at Princeton Global Network Funds.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Ang sinaunang ilog ng Delta ay minsang nagdadala ng likidong tubig sa ibabaw ng Mars

Eberselded Crete Delta: Ang sinaunang istraktura ng sinaunang ilog na Delta ay nagdala ng likidong tubig sa ibabaw ng Mars. Kredito: ESA /...

Ang pagtuklas ng COVID-19 ng sticker ng balat

Ang mga inhinyero sa Unibersidad ng Missouri ay isinusulong ang komersyal na naisusuot na pamilihan ng bioelectronics sa pamamagitan ng pagbuo ng isang malakihang...

Ang Unang Mapa ng 3D Soundtrack para sa Panloob na Tainga na Ginawa Ng Advanced na Teknolohiya ng X-ray

Cochlea ear at auditory nerve membrane. Ang mga banda ng oktaba ay binibigyan ng iba't ibang kulay. Ang mga tao ay makakahanap...

Ang tagumpay sa tagumpay para sa solar fuel na ginawa ng paghahati ng tubig

Gumamit ang mga mananaliksik ng parehong mga computer at mikroskopyo upang malaman ang isang paraan upang potensyal na madagdagan ang pagganap ng aparato, gamit...

Ang 42,000-taong-gulang na mga puno ay nagdidirekta ng tumpak na pagtatasa ng huling pagbabago ng magnetic field ng Daigdig

Ang tala ng mga sinaunang puno ng lung mula sa Nagava, New Zealand. Kredito: Nelson Parker Ang mga sukat ng radiocarbon ng mga labi...

Newsletter

Subscribe to stay updated.