Ett internationellt forskarlag under ledning av Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har tagit de första bilderna med atomupplösning och demonstrerat elektrisk kontroll av ett kiralt gränssnittstillstånd – ett exotiskt kvantfenomen som kan hjälpa forskare att utveckla kvantberäkningar och energieffektiv elektronik.
Det kirala gränssnittstillståndet är en ledande kanal som tillåter elektroner att röra sig i endast en riktning, vilket förhindrar att de sprids bakåt och orsakar energislösande elektriskt motstånd. Forskare arbetar för att bättre förstå egenskaperna hos kirala gränssnittstillstånd i verkliga material, men att visualisera deras rumsliga egenskaper har visat sig vara exceptionellt svårt.
Men nu, för första gången, har atomupplösningsbilder som tagits av ett forskarteam vid Berkeley Lab och UC Berkeley direkt visualiserat ett kiralt gränssnittstillstånd. Forskarna demonstrerade också skapandet på begäran av dessa motståndsfria ledande kanaler i en 2D-isolator.
Deras arbete, som rapporterades i tidskriften Nature Physics , är en del av Berkeley Labs bredare satsning på att främja kvantberäkningar och andra tillämpningar av kvantinformationssystem, inklusive design och syntes av kvantmaterial för att möta trängande tekniska behov.
"Tidigare experiment har visat att kirala gränssnittstillstånd existerar, men ingen har någonsin visualiserat dem med så hög upplösning. Vårt arbete visar för första gången hur dessa 1D-tillstånd ser ut på atomär skala, inklusive hur vi kan ändra dem - och till och med skapa dem", sa förstaförfattaren Canxun Zhang, en tidigare doktorandforskare vid Berkeley Labs materialvetenskapsavdelning och fysikavdelningen vid UC Berkeley. Han är nu postdoktor vid UC Santa Barbara.
Kirala gränssnittstillstånd kan förekomma i vissa typer av 2D-material som kallas quantum anomalous Hall (QAH) isolatorer som är isolatorer i bulk men leder elektroner utan motstånd vid endimensionella "kanter" - materialets fysiska gränser och gränssnitt med andra material.
För att förbereda kirala gränssnittstillstånd arbetade teamet vid Berkeley Labs Molecular Foundry för att tillverka en enhet som kallas vriden monolager-dubbellagersgrafen, som är en stapel av två atomärt tunna lager av grafen som roteras exakt i förhållande till varandra, vilket skapar ett moiré-supergitter som uppvisar QAH-effekt.
I efterföljande experiment vid UC Berkeley Department of Physics använde forskarna ett scanning tunneling microscope (STM) för att detektera olika elektroniska tillstånd i provet, vilket gjorde att de kunde visualisera vågfunktionen i det kirala gränssnittstillståndet. Andra experiment visade att det kirala gränssnittstillståndet kan flyttas över provet genom att modulera spänningen på en grindelektrod placerad under grafenskikten.
I en sista demonstration av kontroll visade forskarna att en spänningspuls från spetsen av en STM-sond kunde "skriva" ett kiralt gränssnittstillstånd i provet, radera det och till och med skriva om ett nytt där elektroner strömmar i motsatt riktning.
Fynden kan hjälpa forskare att bygga avstämbara nätverk av elektronkanaler med löfte om energieffektiv mikroelektronik och magnetiska minnesenheter med låg effekt i framtiden, och för kvantberäkningar med användning av de exotiska elektronbeteendena i QAH-isolatorer.
Forskarna har för avsikt att använda sin teknik för att studera mer exotisk fysik i relaterade material, som anyons, en ny typ av kvasipartiklar som skulle kunna möjliggöra en väg till kvantberäkning.
"Våra resultat ger information som inte var möjlig tidigare. Det är fortfarande en lång väg att gå, men det här är ett bra första steg," sa Zhang.
Mer information: Canxun Zhang et al, Manipulation of chiral interface states in a moiré quantum anomalous Hall isolator, Nature Physics (2024). DOI:10.1038/s41567-024-02444-w
Journalinformation: Naturfysik
Tillhandahålls av Lawrence Berkeley National Laboratory
