Elektroner lever i en märklig och tjusig värld. Dessa oändligt små partiklar har aldrig upphört att förvåna och mystifiera trots det mer än ett sekel som forskare har studerat dem. Nu, i en ännu mer fantastisk twist, fysiker har upptäckt att under vissa förutsättningar, interagerande elektroner kan skapa vad som kallas "topologiska kvanttillstånd". Detta fynd, som nyligen publicerades i tidskriften Natur , har konsekvenser för många tekniska studieområden, särskilt informationsteknik.

Topologiska tillstånd av materia är särskilt spännande klasser av kvantfenomen. Deras studie kombinerar kvantfysik med topologi, som är den gren av teoretisk matematik som studerar geometriska egenskaper som kan deformeras men inte i sig förändras. Topologiska kvanttillstånd kom först till allmänhetens uppmärksamhet 2016 när tre forskare - Princetons Duncan Haldane, som är Princetons Thomas D. Jones professor i matematisk fysik och Sherman Fairchild University professor i fysik, tillsammans med David Thouless och Michael Kosterlitz - tilldelades Nobelpriset för sitt arbete med att avslöja rollen som topologi i elektroniskt material.

"Det senaste decenniet har sett ganska mycket spänning om nya topologiska kvanttillstånd av elektroner, "sade Ali Yazdani, klassen 1909 professor i fysik vid Princeton och den seniora författaren till studien. "Det mesta av det vi har avslöjat under det senaste decenniet har varit inriktat på hur elektroner får dessa topologiska egenskaper, utan att tänka på att de interagerar med varandra."

Men genom att använda ett material som kallas magisk vinkel twisted bilayer graphene, Yazdani och hans team kunde utforska hur interagerande elektroner kan ge upphov till överraskande faser av materia.

De anmärkningsvärda egenskaperna hos grafen upptäcktes för två år sedan när Pablo Jarillo-Herrero och hans team vid Massachusetts Institute of Technology (MIT) använde det för att inducera supraledning – ett tillstånd där elektroner flödar fritt utan motstånd. Upptäckten erkändes omedelbart som en ny materialplattform för att utforska ovanliga kvantfenomen.

Yazdani och hans forskarkollegor var fascinerade av denna upptäckt och satte sig för att ytterligare utforska krångligheterna med supraledning.

Men det de upptäckte ledde dem in på en annan och obetrampad väg.

"Det här var en underbar omväg som kom från ingenstans, sa Kevin Nuckolls, uppsatsens huvudförfattare och doktorand i fysik. "Det var helt oväntat, och något vi märkte som skulle bli viktigt."

Efter exemplet från Jarillo-Herrero och hans team, Yazdani, Nuckolls och de andra forskarna fokuserade sin undersökning på vriden dubbelskiktsgrafen.

"Det är verkligen ett mirakelmaterial, "Nuckolls sa." Det är ett tvådimensionellt galler av kolatomer som är en bra elektrisk ledare och är en av de starkaste kristallerna som är kända. "

Grafen produceras på ett bedrägligt enkelt men noggrant sätt:en bulkkristall av grafit, samma rena grafit i pennor, exfolieras med tejp för att ta bort de översta lagren tills det slutligen når ett enatomtunt lager av kol, med atomer arrangerade i ett platt bikakemönster.

För att få önskad kvanteffekt, Princeton-forskarna, efter Jarillo-Herreros arbete, placerade två ark grafen ovanpå varandra med det översta lagret något vinklat. Denna vridning skapar ett moirémönster, som liknar och är uppkallad efter en vanlig fransk textildesign. Den viktiga punkten, dock, är vinkeln vid vilken det översta lagret av grafen är placerat:exakt 1,1 grader, den "magiska" vinkeln som producerar kvanteffekten.

"Det är ett så konstigt fel i naturen, "Nuckolls sa, "att det är just denna vinkel som måste uppnås." Vinkla det översta lagret av grafen vid 1,2 grader, till exempel, ger ingen effekt.

Forskarna genererade extremt låga temperaturer och skapade ett lätt magnetfält. De använde sedan en maskin som kallas ett skanningstunnelmikroskop, som förlitar sig på en teknik som kallas "quantum tunneling" snarare än ljus för att se den atomära och subatomära världen. De riktade mikroskopets ledande metallspets mot ytan av den magiska vinkelns vridna grafen och kunde detektera elektronernas energinivåer.

De fann att den magiska vinkeln grafen förändrade hur elektroner rörde sig på grafenarket. "Det skapar ett tillstånd som tvingar elektronerna att ha samma energi, " sa Yazdani. "Vi kallar det här ett 'platt band'."

När elektroner har samma energi - är i ett platt bandmaterial - interagerar de mycket starkt med varandra. "Detta samspel kan få elektroner att göra många exotiska saker, " sa Yazdani.

En av dessa "exotiska" saker, forskarna upptäckte, var skapandet av oväntade och spontana topologiska tillstånd.

"Denna vridning av grafenen skapar de rätta förutsättningarna för att skapa en mycket stark interaktion mellan elektroner, " Yazdani förklarade. "Och denna interaktion gynnar oväntat elektroner att organisera sig i en serie topologiska kvanttillstånd."

Specifikt, de upptäckte att interaktionen mellan elektroner skapar det som kallas topologiska isolatorer. Dessa är unika enheter som fungerar som isolatorer i deras interiörer, vilket innebär att elektronerna inuti inte är fria att röra sig och därför inte leder elektricitet. Dock, elektronerna på kanterna är fria att röra sig, vilket betyder att de är ledande. Dessutom, på grund av topologins speciella egenskaper, elektronerna som strömmar längs kanterna hindras inte av några defekter eller deformationer. De flödar kontinuerligt och kringgår effektivt de begränsningar - såsom små brister i ett materials yta - som vanligtvis hindrar elektronernas rörelse.

Under arbetets gång, Yazdanis experimentgrupp slog ihop två andra Princetonianer - Andrei Bernevig, professor i fysik, och Biao Lian, biträdande professor i fysik - för att förstå den underliggande fysiska mekanismen för sina fynd.

"Vår teori visar att två viktiga ingredienser - interaktioner och topologi - som i naturen mestadels verkar frikopplade från varandra, kombinera i detta system, "Sa Bernevig. Denna koppling skapar de topologiska isolatortillstånden som observerades experimentellt.

Även om området kvanttopologi är relativt nytt, det har stor potential för att revolutionera områdena elektroteknik, materialvetenskap och särskilt datavetenskap.

"Folk pratar mycket om dess relevans för kvantberäkning, där du kan använda dessa topologiska kvanttillstånd för att göra bättre typer av kvantbitar, "Sade Yazdani." Motiveringen för det vi försöker göra är att förstå hur kvantinformation kan kodas inuti en topologisk fas. Forskning inom detta område producerar spännande ny vetenskap och kan ha potentiell inverkan på att främja kvantinformationsteknik."

Yazdani och hans team kommer att fortsätta sin forskning för att förstå hur interaktioner mellan elektroner ger upphov till olika topologiska tillstånd.

"Samspelet mellan topologi och supraledning i detta materialsystem är ganska fascinerande och är något vi kommer att försöka förstå härnäst, " sa Yazdani.