普林斯顿大学 普林斯顿大学领导的一个物理学家小组发现，在特定条件下，相互作用的电子可以创造出所谓的“拓扑量子态”，这对许多技术领域的研究都有影响，尤其是信息技术
该图描绘了不同的绝缘状态，每个绝缘状态由一个称为“陈氏数”的整数来表征，该整数区分不同的拓扑相位
学分:凯文·努科尔，普林斯顿大学物理系 电子生活在一个奇怪而混乱的世界里
尽管科学家们已经研究了一个多世纪，这些微小的粒子从未停止过惊奇和神秘
现在，更令人惊讶的是，物理学家发现，在某些条件下，相互作用的电子可以创造出所谓的“拓扑量子态”
这一发现最近发表在《自然》杂志上，对许多技术领域的研究都有影响，尤其是信息技术
物质的拓扑状态是特别有趣的量子现象
他们的研究将量子物理和拓扑学结合起来，拓扑学是理论数学的一个分支，研究可以变形但本质上不会改变的几何性质
拓扑量子态第一次引起公众的注意是在2016年，当时三位科学家——普林斯顿的邓肯·霍尔丹，他是普林斯顿的托马斯·D
琼斯数学物理教授和谢尔曼费尔柴尔德大学物理教授，以及大卫·索尔兹和迈克尔·科斯特利兹因在揭示电子材料中拓扑的作用方面的工作而获得诺贝尔奖
“在过去的十年里，人们对电子的新拓扑量子态感到非常兴奋，”普林斯顿大学1909级物理学教授、该研究的资深作者阿里·亚兹达尼说
“我们在过去十年中发现的大部分东西都集中在电子如何获得这些拓扑性质上，而没有考虑它们之间的相互作用
" 但是通过使用一种被称为魔角扭曲双层石墨烯的材料，亚兹达尼和他的团队能够探索相互作用的电子是如何产生令人惊讶的物质相的
两年前，麻省理工学院的巴勃罗·贾里罗-赫雷罗和他的团队利用石墨烯诱导超导性，即电子在没有任何阻力的情况下自由流动，从而发现了石墨烯的显著特性
这一发现立即被认为是探索异常量子现象的新材料平台
亚兹达尼和他的同事们被这一发现所吸引，开始进一步探索超导的复杂性
但是他们的发现让他们走上了一条不同的、未开拓的道路
该论文的主要作者、物理学研究生凯文·努克尔斯说:“这是一条不知道从哪里冒出来的奇妙弯路。”
“这完全出乎意料，我们注意到了一些非常重要的事情
" 以杰瑞罗-赫雷罗和他的团队为例，亚兹达尼、努科尔和其他研究人员将他们的研究重点放在扭曲的双层石墨烯上
努科尔说:“这真是一种神奇的材料。”
“这是一个由碳原子组成的二维晶格，它是一种很棒的电导体，也是已知最强的晶体之一
" 石墨烯的生产方式看似简单，但却十分细致:石墨的大块晶体，就像铅笔中的纯石墨一样，用胶带剥离顶层，直到最终形成一个单原子薄层碳，原子排列成扁平的蜂窝状网格图案
为了获得理想的量子效应，普林斯顿大学的研究人员遵循贾里洛-赫雷罗的工作，将两片石墨烯一片接一片地放在一起，顶层略微倾斜
这种扭曲产生了一种云纹图案，类似于一种常见的法国纺织品设计，并以其命名
然而，重要的一点是石墨烯顶层所处的角度:精确到1°
1度，产生量子效应的“神奇”角度
普林斯顿大学领导的一个物理学家团队发现，在特定条件下，相互作用的电子可以创造出所谓的“拓扑量子态”，这对许多技术领域的研究都有影响，尤其是信息技术
这张扫描隧道显微镜图展示了魔角扭曲双层石墨烯
学分:凯文·努科尔，普林斯顿大学物理系 努科尔说:“这是自然界中一个非常奇怪的小故障，这正是我们需要实现的一个角度。”
“将石墨烯顶层调整到1
例如，2度不会产生任何效果
研究人员产生了极低的温度，并产生了轻微的磁场
然后，他们使用一种叫做扫描隧道显微镜的机器，这种机器依靠一种叫做“量子隧道”的技术，而不是光来观察原子和亚原子世界
他们将显微镜的导电金属尖端对准魔角扭曲的石墨烯表面，并能够检测电子的能级
他们发现魔角石墨烯改变了电子在石墨烯片上的运动方式
“这创造了一个条件，迫使电子处于相同的能量，”亚兹达尼说
“我们称之为‘扁平乐队’
" 当电子具有相同的能量——处于平带材料中——它们相互作用非常强烈
“这种相互作用可以使电子做许多奇异的事情，”亚兹达尼说
研究人员发现，这些“奇异”的东西之一是创造出意想不到的自发拓扑状态
“石墨烯的这种扭曲创造了合适的条件来创造电子之间非常强的相互作用，”亚兹达尼解释说
这种相互作用出乎意料地有利于电子将自己组织成一系列拓扑量子态
" 具体来说，他们发现电子之间的相互作用产生了所谓的拓扑绝缘体
这些独特的装置在其内部充当绝缘体，这意味着里面的电子不能自由移动，因此不导电
然而，边缘的电子可以自由移动，这意味着它们是导电的
此外，由于拓扑的特殊性质，沿边缘流动的电子不会受到任何缺陷或变形的阻碍
它们连续流动，有效地避开了通常阻碍电子运动的限制——例如材料表面的微小缺陷
在研究过程中，亚兹达尼的实验小组与另外两位普林斯顿人——物理学教授安德烈·贝纳维格(Andrei Bernevig)和物理学助理教授李彪(Bio Lian)——合作，了解他们发现的潜在物理机制
“我们的理论表明，两个重要的因素——相互作用和拓扑结构——在本质上看起来大多是相互分离的，在这个系统中结合在一起，”贝纳维格说
这种耦合产生了实验观察到的拓扑绝缘体状态
虽然量子拓扑学是一个相对较新的领域，但它在电气工程、材料科学，尤其是计算机科学领域具有巨大的革命潜力
亚兹达尼说:“人们经常谈论它与量子计算的相关性，在量子计算中，你可以使用这些拓扑量子态来制作更好的量子比特。”
“我们努力的动机是理解量子信息是如何在拓扑相位中编码的
这一领域的研究正在产生激动人心的新科学，并可能对推进量子信息技术产生潜在影响
" 亚兹达尼和他的团队将继续他们的研究，以了解电子的相互作用如何产生不同的拓扑状态
亚兹达尼说:“这种材料体系的拓扑结构和超导性之间的相互作用非常迷人，这也是我们接下来要努力理解的。”
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