Международная группа исследователей из Университета Британской Колумбии (UBC), Университета Вашингтона и Университета Джона Хопкинса совершила прорывное открытие, представив миру новый класс квантовых состояний – топологические электронные кристаллы. Это открытие, опубликованное в журнале Nature в 2025 году (DOI: 10.1038/s41586-024-08239-6), может заложить фундамент для будущих квантовых компьютеров и других передовых технологий.
Сердцем открытия стал специально разработанный материал – скрученный двухслойно-трехслойный графен. Графен, известный своей уникальной структурой из атомов углерода, расположенных в виде пчелиных сот, в данном случае был использован в форме двух слоев, повернутых друг относительно друга под определенным углом. Этот «скрученный» подход привел к возникновению муарового узора – геометрического эффекта интерференции, где области графена оказались как выровненными, так и смещенными.
Профессор Джошуа Фолк из факультета физики и астрономии UBC и Института квантовой материи Blusson (UBC Blusson QMI) объясняет, что именно муаровый узор играет ключевую роль в изменении электронных свойств графена. В этих узорах электроны замедляются и начинают двигаться своеобразным «вихревым» образом, что приводит к возникновению необычных квантовых состояний.
Удивительное открытие произошло во время эксперимента, проведенного студентом бакалавриата UBC Руихеном Су. Он заметил, что электроны в графене в определенной конфигурации «замерзают», образуя идеально упорядоченную решетку. В этом состоянии электроны оказываются зафиксированными внутри кристалла, но при этом синхронно «вращаются».
Наиболее важным аспектом этого открытия является топологическая природа нового электронного кристалла. Топология, раздел математики, изучающий свойства, которые остаются неизменными при деформациях, в данном контексте обеспечивает защиту свойств кристалла от внешних воздействий. Профессор Мэтью Янковиц из Университета Вашингтона, чья лаборатория подготовила образец скрученного графена, использует аналогию с пончиком и кренделем, чтобы объяснить топологическую инвариантность: пончик нельзя превратить в крендель без разрыва, что аналогично устойчивости топологических свойств.
Топологический электронный кристалл проявляет парадоксальное поведение: будучи кристаллическим образованием из «замороженных» электронов, он обладает электропроводностью по краям, в то время как его внутренняя часть остается изолятором. Более того, ток, текущий по краям, является квантованным, то есть его величина точно определяется фундаментальными константами – постоянной Планка и зарядом электрона.
Это свойство краевой проводимости аналогично эффекту Мебиуса, где вращение электронов в кристалле напоминает скручивание ленты Мебиуса – поверхности с одной стороной и одним краем, чье скручивание нельзя устранить без разрыва. Доктор Дасен Уотерс, постдокторант из лаборатории профессора Янковица, внесший значительный вклад в создание образца графена, подчеркивает важность этого топологического аспекта.
Открытие топологических электронных кристаллов открывает захватывающие перспективы для квантовых технологий. Возможность управления квантовыми состояниями электронов в таком кристалле может стать основой для создания кубитов – базовых элементов квантовых компьютеров. В отличие от обычных вигнеровских кристаллов, топологические электронные кристаллы благодаря своей краевой проводимости и топологической защите могут обеспечить более стабильные и надежные кубиты.
В будущем исследователи планируют изучить возможность сочетания топологических электронных кристаллов со сверхпроводимостью. Такое сочетание может привести к созданию новых типов кубитов с еще более продвинутыми характеристиками, что приблизит эру мощных и надежных квантовых компьютеров. Статья об этом исследовании, озаглавленная "Moiré-driven topological electronic crystals in twisted graphene", была опубликована в журнале Nature, а информация об открытии также была представлена в статье "New research uncovers exotic electron crystal in graphene" на портале 22 января 2025 года.
Изображение носит иллюстративный характер
Сердцем открытия стал специально разработанный материал – скрученный двухслойно-трехслойный графен. Графен, известный своей уникальной структурой из атомов углерода, расположенных в виде пчелиных сот, в данном случае был использован в форме двух слоев, повернутых друг относительно друга под определенным углом. Этот «скрученный» подход привел к возникновению муарового узора – геометрического эффекта интерференции, где области графена оказались как выровненными, так и смещенными.
Профессор Джошуа Фолк из факультета физики и астрономии UBC и Института квантовой материи Blusson (UBC Blusson QMI) объясняет, что именно муаровый узор играет ключевую роль в изменении электронных свойств графена. В этих узорах электроны замедляются и начинают двигаться своеобразным «вихревым» образом, что приводит к возникновению необычных квантовых состояний.
Удивительное открытие произошло во время эксперимента, проведенного студентом бакалавриата UBC Руихеном Су. Он заметил, что электроны в графене в определенной конфигурации «замерзают», образуя идеально упорядоченную решетку. В этом состоянии электроны оказываются зафиксированными внутри кристалла, но при этом синхронно «вращаются».
Наиболее важным аспектом этого открытия является топологическая природа нового электронного кристалла. Топология, раздел математики, изучающий свойства, которые остаются неизменными при деформациях, в данном контексте обеспечивает защиту свойств кристалла от внешних воздействий. Профессор Мэтью Янковиц из Университета Вашингтона, чья лаборатория подготовила образец скрученного графена, использует аналогию с пончиком и кренделем, чтобы объяснить топологическую инвариантность: пончик нельзя превратить в крендель без разрыва, что аналогично устойчивости топологических свойств.
Топологический электронный кристалл проявляет парадоксальное поведение: будучи кристаллическим образованием из «замороженных» электронов, он обладает электропроводностью по краям, в то время как его внутренняя часть остается изолятором. Более того, ток, текущий по краям, является квантованным, то есть его величина точно определяется фундаментальными константами – постоянной Планка и зарядом электрона.
Это свойство краевой проводимости аналогично эффекту Мебиуса, где вращение электронов в кристалле напоминает скручивание ленты Мебиуса – поверхности с одной стороной и одним краем, чье скручивание нельзя устранить без разрыва. Доктор Дасен Уотерс, постдокторант из лаборатории профессора Янковица, внесший значительный вклад в создание образца графена, подчеркивает важность этого топологического аспекта.
Открытие топологических электронных кристаллов открывает захватывающие перспективы для квантовых технологий. Возможность управления квантовыми состояниями электронов в таком кристалле может стать основой для создания кубитов – базовых элементов квантовых компьютеров. В отличие от обычных вигнеровских кристаллов, топологические электронные кристаллы благодаря своей краевой проводимости и топологической защите могут обеспечить более стабильные и надежные кубиты.
В будущем исследователи планируют изучить возможность сочетания топологических электронных кристаллов со сверхпроводимостью. Такое сочетание может привести к созданию новых типов кубитов с еще более продвинутыми характеристиками, что приблизит эру мощных и надежных квантовых компьютеров. Статья об этом исследовании, озаглавленная "Moiré-driven topological electronic crystals in twisted graphene", была опубликована в журнале Nature, а информация об открытии также была представлена в статье "New research uncovers exotic electron crystal in graphene" на портале 22 января 2025 года.
