Ett ark av magisk vinkel vriden dubbelskiktsgrafen kan vara värd för nya topologiska faser av materia, har en studie avslöjat.

Magisk vinkel vriden grafen, upptäcktes först 2018, är gjord av två ark grafen (en form av kol som består av ett enda lager av atomer i ett bikakeliknande gittermönster), skiktade ovanpå varandra, med ett ark vridet med exakt 1,05 grader i förhållande till det andra. Det resulterande dubbelskiktet har ovanliga elektroniska egenskaper:till exempel, den kan göras till en isolator eller en supraledare beroende på hur många elektroner som tillförs.

Upptäckten lanserade ett nytt forskningsfält om magisk vinkel vriden grafen, känd som "twistronics". På Caltech, Stevan Nadj-Perge, biträdande professor i tillämpad fysik och materialvetenskap, har varit bland forskarna som leder laddningen:2019, han och hans kollegor avbildade direkt de elektroniska egenskaperna hos magisk vinkel vriden grafen på atomlängdsskalor; och 2020, de visade att supraledning i vriden dubbelskiktsgrafen kan existera borta från den magiska vinkeln när den kopplas till en tvådimensionell halvledare.

Nu, Nadj-Perge och hans kollegor har funnit att magisk vinkel vriden dubbelskiktsgrafen också har oväntade topologiska kvantfaser. Ett papper om arbetet dyker upp i numret 18 januari av Natur .

Vad är topologiska kvantfaser och varför är de viktiga? Traditionellt, material klassificeras som antingen isolatorer, som hindrar flödet av elektroner och därmed inte leder elektricitet; metaller, som leder elektricitet väl; och halvledare, som leder elektricitet mellan metaller och isolatorer.

Dock, när starka magnetfält appliceras på olika typer av material, elektronernas beteende genom dem ändras, producerar andra möjliga tillstånd – eller topologiska kvantfaser. Till exempel, under starka magnetfält, huvuddelen av ett material kan bli isolerande medan ytorna (eller kanterna, i fallet med ett tvådimensionellt material) är mycket ledande. Teoretiskt sett, topologiska kvantfaser kan ha många tillämpningar, inklusive i kvantinformationsbehandling.

I det nya verket, Nadj-Perge och kollegor använde skanningstunnelmikroskopi för att direkt avbilda vriden dubbelskiktsgrafen med atomupplösning, och fann att de starka interaktionerna mellan elektroner i vriden dubbelskiktsgrafen möjliggör uppkomsten av dessa topologiska faser utan behov av ett starkt magnetfält. De studerade också grafen vridet till alternativa vinklar, men fann att de nya topologiska faserna endast var närvarande vid den magiska vinkeln.

"Upptäckten av topologiska faser i magisk vinkel vriden dubbelskiktsgrafen öppnar upp ytterligare ett kapitel om detta fantastiska material och för oss närmare att förstå dess elektroniska egenskaper." säger Nadj-Perge, motsvarande författare till tidningen. "Viktigast, dock, våra fynd pekar också mot nya sätt att konstruera topologiska faser som kan eftersträvas i framtiden." Dessa material kan, i teorin, har många applikationer; till exempel, vissa excitationer av topologiska faser skulle kunna användas för att utföra informationsbehandling i framtida kvantdatorer.

Deras uppsats har titeln "Korrelationsdrivna topologiska faser i magisk vinkel vriden dubbelskiktsgrafen."