通过扭转石墨烯层，研究人员发现了一种独特的电子晶体，在这种晶体中，电子会固定在原位，但电流可以毫无阻力地沿边缘流动。

这种行为由拓扑结构决定，就像莫比乌斯带只有一面一样。这一发现可能对量子计算产生重大影响。

揭示石墨烯中的一种新型量子态

来自不列颠哥伦比亚大学、华盛顿大学和约翰斯·霍普金斯大学的研究人员，在特殊设计的石墨烯中发现了一种新型的量子态。相关研究发表于《自然》杂志，揭示了拓扑电子晶体这种独特物质的存在，该物质被称为扭曲双层-三层石墨烯。该系统通过将超薄石墨烯层进行精确旋转堆叠制成，从根本上改变了石墨烯的电子行为。

“这项工作的起点是两片石墨烯，它们由呈蜂窝状排列的碳原子组成。电子在碳原子之间跳跃的方式决定了石墨烯的电学性质，其最终表面特性与铜等更常见的导体相似，”英属哥伦比亚大学（UBC）物理与天文系和布卢森量子物质研究所（UBC Blusson QMI）的成员约书亚·福尔克（Joshua Folk）教授说道。

莫尔条纹与电子运动的转变

“下一步是将这两片薄片以轻微扭转的方式堆叠在一起。这将产生一种称为莫尔条纹的几何干涉效应：堆叠的某些区域的两片薄片上的碳原子彼此直接位于正上方，而其他区域的原子则发生偏移，”福克斯说。

“当电子在这个扭曲堆叠中的莫尔条纹间跳跃时，其电子特性会完全改变。例如，电子运动速度减慢，有时甚至会产生扭转，就像浴缸排水时漩涡中的水流。”

实验室里的惊人发现

本研究中报道的这一突破性发现由英属哥伦比亚大学（UBC）的本科生瑞恒·苏（Ruiheng Su）观察到，他当时正在研究华盛顿大学马修·扬科维茨（Matthew Yankowitz）教授实验室的博士后研究员达森·沃特斯（Dacen Waters）制备的一种扭曲石墨烯样品。在福克（Folk）实验室进行实验时，瑞恒发现该装置具有一种独特配置，石墨烯中的电子冻结成完全有序的阵列，它们固定在原位，却又像芭蕾舞演员优雅地进行原地旋转跳跃一样，整齐划一地旋转。这种同步旋转产生了一种非凡的现象：电流可以轻松沿样品边缘流动，而样品内部则保持绝缘状态，因为电子被固定住了。

舞动却又保持静止的电子

值得注意的是，沿边缘流动的电流大小完全由两个基本自然常数——普朗克常数和电子电荷的比值决定。电子晶体的拓扑特性保证了该值的精确性，拓扑描述了物体在适度变形后仍然保持不变的特性。

“就像甜甜圈在不切开的情况下无法顺利变形为椒盐卷饼一样，二维电子晶体边界周围的电子循环通道也不会受到周围环境中无序状态的影响，”Yankowitz 介绍道。

这导致拓扑电子晶体表现出一种矛盾的行为，这在过去传统的维格纳晶体中是从未见过的——尽管晶体在电子冻结成有序阵列时形成，但它仍然可以沿其边界导电。

莫比乌斯带连接

拓扑学的一个日常例子就是莫比乌斯带——一个简单却令人费解的物体。想象你取一条纸带，将其弯成一个圈，然后把两端粘在一起。现在，再取一条纸带，但在把两端粘在一起之前，先将其扭转一下。得到的就是莫比乌斯带，一个只有一面和一条边的曲面。令人惊奇的是，不管你如何尝试摆弄这条纸带，如果不把它撕开，就无法将其重新扭转回一个正常的圈。

晶体中电子的旋转与莫比乌斯带的扭曲类似，由此产生了拓扑电子晶体一个前所未有的显著特性，这在过去极少数观察到电子晶体的案例中从未出现过：电子在其中流动毫无阻力的边缘，被锁定在晶体本身内部。

通往量子计算的未来之路

拓扑电子晶体不仅仅是一个理论上的新奇事物，它可能在推动量子信息技术的发展中发挥关键作用。科学家们正在探索如何将这种独特的电子态与超导性相结合，这一步骤可能有助于为下一代拓扑量子计算机创建量子比特。

参考文献：《2025年1月22日发表于《自然》期刊的，由Ruiheng Su、Dacen Waters、Boran Zhou、Kenji Watanabe、Takashi Taniguchi、Ya-Hui Zhang、Matthew Yankowitz和Joshua Folk所著的“扭曲石墨烯中的莫尔条纹驱动拓扑电子晶体”》DOI：10.1038/s41586-024-08239-6