特殊取向的扭曲双层石墨烯具有拓扑电子态

一项研究表明，一片魔角扭曲的双层石墨烯可以承载新的物质拓扑相。魔角扭曲的石墨烯于2018年首次发现，它由两层石墨烯(一种碳的形式，由一层蜂窝状格子图案的原子组成)相互叠置而成，其中一层被精确地扭曲彼此相对1.05度。生成的双层具有不同寻常的电子特性：例如，可以根据添加的电子数量将其制成绝缘体或超导体。

这一发现为魔角扭曲石墨烯开辟了新的研究领域，被称为“ twistronics”。在加州理工学院，应用物理学和材料科学助理教授Stevan Nadj-Perge一直是负责这一研究的研究人员之一：2019年，他和他的同事们直接在原子长度尺度上成像了魔角扭曲石墨烯的电子特性;并且在2020年，他们证明了扭曲的双层石墨烯中的超导性在与二维半导体耦合时可以远离魔角存在。

现在，Nadj-Perge和他的同事们发现，魔角扭曲的双层石墨烯也具有意想不到的拓扑量子相。关于这项工作的论文发表在1月18日的“自然”杂志上。

什么是拓扑量子相，为什么重要?传统上，材料被分类为两种绝缘体，它们阻碍了电子的流动，因此不导电。导电良好的金属;以及在金属和绝缘体之间导电的半导体。

但是，当强磁场施加到各种类型的材料上时，通过它们的电子的行为就会改变，从而产生其他可能的状态或拓扑量子相。例如，在强磁场下，大部分材料可以绝缘，而表面(或二维材料的情况下，边缘)具有高导电性。从理论上讲，拓扑量子相可能具有许多应用，包括在量子信息处理中。

在这项新工作中，Nadj-Perge及其同事使用扫描隧道显微镜直接以原子分辨率对扭曲的双层石墨烯进行成像，发现扭曲的双层石墨烯中电子之间的强相互作用使得这些拓扑相的出现无需强磁性即可。领域。他们还研究了扭曲到其他角度的石墨烯，但发现新的拓扑阶段仅在魔角存在。

“在魔角扭曲的双层石墨烯中发现了拓扑相，这为这一令人惊奇的材料开辟了新的篇章，并使我们更加了解其电子性能。” 该论文的通讯作者Nadj-Perge说。“但是最重要的是，我们的发现还指向了将来可以采用的工程拓扑阶段的新方法。” 从理论上讲，这些材料可以有许多应用。例如，拓扑相位的某些激发可以用于在未来的量子计算机中执行信息处理。

他们的论文标题为“魔术角扭曲双层石墨烯中的相关驱动拓扑相”。

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