特殊定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容纳物质的新拓扑相。魔角扭曲石墨烯于 2018 年首次被发现，由两片石墨烯(一种由单层原子组成的蜂窝状晶格图案的碳)层叠而成，其中一张石墨烯以精确的角度扭曲相对于另一个 1.05 度。由此产生的双层具有不寻常的电子特性：例如，根据添加的电子数量，它可以制成绝缘体或超导体。

这一发现开启了一个新的魔角扭曲石墨烯研究领域，被称为“扭曲电子学”。在加州理工学院，应用物理学和材料科学助理教授 Stevan Nadj-Perge一直是领导这项研究的研究人员之一：2019 年，他和他的同事在原子长度尺度上直接成像了魔角扭曲石墨烯的电子特性;2020 年，他们证明了当与二维半导体耦合时，扭曲双层石墨烯中的超导性可以远离魔角存在。

现在，Nadj-Perge 和他的同事们发现魔角扭曲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，为什么它们很重要?传统上，材料被归类为绝缘体，阻碍电子流动，因此不导电;导电性好的金属;和半导体，在金属和绝缘体之间导电。

然而，当强磁场应用于各种类型的材料时，电子通过它们的行为会发生改变，产生其他可能的状态——或拓扑量子相。例如，在强磁场下，材料的主体会变得绝缘，而表面(或边缘，在二维材料的情况下)具有高导电性。从理论上讲，拓扑量子相可以有许多应用，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以原子分辨率直接成像扭曲双层石墨烯，并发现扭曲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场地。他们还研究了扭曲到不同角度的石墨烯，但发现新的拓扑相仅存在于魔角处。

“魔角扭曲双层石墨烯中拓扑相的发现开启了关于这种神奇材料的又一章，让我们更接近于了解它的电子特性。” 该论文的通讯作者 Nadj-Perge 说。“然而，最重要的是，我们的发现还指出了未来可以追求的设计拓扑阶段的新方法。” 从理论上讲，这些材料可以有很多应用。例如，拓扑相的某些激发可用于在未来的量子计算机中执行信息处理。

他们的论文名为“魔角扭曲双层石墨烯中的相关驱动拓扑相”。

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