Cristais eletrônicos topológicos em grafeno de bicamada torcida

Em um estudo publicado em Naturezacientistas da Universidade Johns Hopkins, o Universidade da Colúmbia Britânicae a Universidade de Washington descobriram uma nova classe de estados quânticos em uma estrutura de grafeno especialmente projetada: cristais eletrônicos topológicos em grafeno de bicamada-camada torcida, um sistema fabricado por materiais bidimensionais rotativos com precisão empilhados no topo do outro.

O ponto de partida para este trabalho são dois flocos de grafeno, que são compostos de átomos de carbono dispostos em uma estrutura de favo de mel. A maneira como os elétrons saltam entre os átomos de carbono determina as propriedades elétricas do grafeno, que acabam sendo superficialmente semelhantes a condutores mais comuns, como cobre.

Joshua Folks, Professor, Departamento de Física e Astronomia, Universidade da Colúmbia Britânica

““O próximo passo é empilhar os dois flocos com uma pequena reviravolta entre eles. Isso gera um efeito de interferência geométrica conhecida como padrão moiré: algumas regiões da pilha têm átomos de carbono dos dois flocos diretamente um no outro, enquanto outras regiões têm os átomos deslocados,, Acrescentou pessoas.

Ele acrescentou ainda: “Quando os elétrons saltam através desse padrão moiré na pilha torcida, as propriedades eletrônicas são totalmente alteradas. Por exemplo, os elétrons diminuem o caminho para baixo e, às vezes. ”

A descoberta inovadora revelada neste estudo foi feita por Ruiheng Su, um estudante de graduação da UBC, enquanto investigava uma amostra de grafeno distorcida gerada pelo Dr. Dacen Waters, pesquisador de pós -doutorado do Prof. Matthew Yankowitz na Universidade de Washington.

Ruiheng descobriu uma nova configuração para o dispositivo enquanto trabalhava no experimento no Laboratório Folks. Os elétrons do grafeno congelaram em uma matriz perfeitamente ordenada, presos no lugar, mas girando em uníssono como dançarinos de balé com graciosamente piruetas estacionárias. Essa rotação síncrona causa um fenômeno fascinante no qual a corrente elétrica flui suavemente ao longo das fronteiras da amostra, enquanto o inside permanece isolante devido à imobilização de elétrons.

A quantidade de corrente que flui ao longo da borda é definida com precisão pela proporção de duas constantes fundamentais da natureza: a constante de Planck e a carga do elétron. A precisão desse valor é garantida pela topologia, uma propriedade de cristais de elétrons que especifica as qualidades de objetos que permanecem intactos mesmo após pequenas deformações.

Assim como um donut não pode ser deformado suavemente em um pretzel sem primeiro corrigi -lo, o canal circulante de elétrons ao redor do cristal de elétrons 2D limite permanece imperturbável por desordem em seu ambiente circundante.

Matthew Yankowitz, professor do Departamento de Física da Universidade de Washington

““Isso leva a um comportamento paradoxal do cristal eletrônico topológico não visto nos cristais de Wigner convencionais do passado – apesar do cristal que se formou em elétrons congelantes em uma matriz ordenada, pode, no entanto, conduzir eletricidade ao longo de seus limitesAfirmou Yankowitz.

A faixa de Möbius é um exemplo comum de topologia-um objeto simples, mas alucinante. Considere pegar uma faixa de papel, dobrá -la em um loop e gravar as pontas juntas. Agora, pegue outra tira e torça uma vez antes de prender as pontas. O resultado é uma faixa de Möbius, uma superfície com apenas um lado e borda. Não importa como se tente manipular a faixa, é impossível que, desligá -la de volta em um loop regular sem destruí -la é impossível.

A rotação dos elétrons no cristal é análoga à torção na tira de Möbius. Isso resulta em uma característica notável do cristal eletrônico topológico que nunca foi visto antes nos casos raros em que os cristais de elétrons foram observados: bordas onde os elétrons fluem sem resistência, indicando que estão travados no lugar dentro do cristal.

O cristal topológico de elétrons não é apenas fascinante conceitualmente, mas também abre novos caminhos para avanços em informações quânticas. Tentativas futuras de combinar o cristal de elétrons topológicas com supercondutividade fornecerão a base de qubits para computadores quânticos topológicos.

Referência do diário:

Su, R., et al. (2025) Cristais eletrônicos topológicos acionados por moiré em grafeno torcido. Natureza. doi.org/10.1038/s41586-024-08239-6