電子似乎在一個奇怪而混亂的世界裡，儘管科學家們對電子進行了一個多世紀的研究，但這些粒子從未停止過令人驚歎和迷惑。現在，更令人驚訝的是，物理學家發現，在一定條件下，相互作用的電子可以產生所謂的“拓撲量子態”，其研究發現發表在《自然》(Nature)期刊上，這對許多技術研究領域都有影響，尤其是資訊科技。物質的拓撲態是一類特別耐人尋味的量子現象，研究結合了量子物理和拓撲學。
拓撲學是理論數學的一個分支，研究可以變形但不能本質改變的幾何性質。拓撲量子態第一次引起公眾關注是在2016年，當時三名科學家因發現拓撲在電子材料中的作用而獲得諾貝爾獎（普林斯頓大學托馬斯·D·瓊斯數學物理學教授鄧肯·霍爾丹和謝爾曼·費爾柴爾德大學物理學教授，以及大衛·索利斯和邁克爾·科斯特利茨）。這項研究的資深作者、普林斯頓大學1909屆物理學教授阿里·亞茲達尼(Ali Yazdani)說：過去十年，人們對電子的新拓撲量子態感到非常興奮。
在過去的十年裡，發現的大部分東西都集中在電子如何獲得這些拓撲性質上，而沒有考慮到它們之間的相互作用。但透過使用一種名為魔角扭曲雙層石墨烯的材料，研究團隊能夠探索相互作用的電子，是如何產生令人驚訝的物質相的。兩年前，麻省理工學院(MIT)團隊利用石墨烯誘導超導（電子在沒有任何阻力情況下自由流動的狀態）發現了石墨烯的非凡特性。這一發現立即被認為是探索不尋常量子現象的新材料平臺。
研究人員對這一發現很感興趣，並著手進一步探索超導的錯綜複雜之處。但其發現引導他們走上了一條不同的、從未有人涉足的道路。研究的主要作者、物理學研究生凱文·努科爾斯(Kevin Nuckolls)說：這是一個不知從哪裡冒出來的奇妙繞道，這完全出乎意料，我們注意到了一些非常重要的事情。效仿Jarillo-Herrero和他的團隊，Yazdani、Nuckolls和其他研究人員將研究重點放在扭曲雙層石墨烯上。
扭曲雙層石墨烯
扭曲雙層石墨烯是一種神奇的材料，這是一種碳原子的二維晶格，是一種很棒的電導體，也是已知最強的晶體之一。石墨烯是以一種看似簡單但費力的方式生產：用膠帶剝離石墨的大塊晶體，同樣是鉛筆中的純石墨，去掉頂層，直到最終形成單原子般薄的碳層，原子排列成扁平的蜂窩狀晶格圖案。為了獲得想要的量子效應，普林斯頓大學研究人員按照Jarillo-Herrero的研究，將兩張石墨烯放在彼此的頂部，頂層略有傾斜。
這種扭曲形成了一種莫爾圖案，它類似於一種常見的法國紡織品設計，並以此命名。然而，重要的一點是石墨烯頂層所處的角度：準確地說是1.1度，這是產生量子效應的“魔角”角度。在自然界中，這是一個非常奇怪的，需要達到的正是這個角度，例如，將石墨烯頂層傾斜1.2度就不會產生任何效果。研究人員產生了極低的溫度，併產生了輕微的磁場，然後使用了一種名為掃描隧道顯微鏡的機器。
這種顯微鏡依靠一種叫做“量子隧道”的技術，而不是光來觀察原子和亞原子世界。研究人員將顯微鏡的導電金屬尖端指向“魔角”扭曲雙層石墨烯表面，並能夠探測到電子的能級。發現，魔角石墨烯改變了電子在石墨烯薄片上的運動方式，似乎創造了一種條件，迫使電子處於相同的能量，研究人員稱之為‘平帶’。當電子具有相同的能量（在平帶材料中）它們相互作用非常強烈，這種相互作用可以讓電子做很多奇特的事情。
拓撲量子態
而這些奇特現象就是產生意想不到的自發拓撲狀態。石墨烯的這種扭曲創造了合適條件，可以在電子之間產生非常強的相互作用。這種相互作用出人意料地有利於電子將自己組織成一系列拓撲量子態。具體地說，研究發現電子之間的相互作用產生了拓撲絕緣體。這是一種獨特的裝置，在其內部充當絕緣體，這意味著內部的電子不能自由移動，因此不導電。然而，邊緣上的電子可以自由移動，這意味著它們是導電的。
此外，由於拓撲的特殊性質，沿邊緣流動的電子不會受到任何缺陷或變形的阻礙。它們連續有效地流動，繞過了通常阻礙電子運動的限制，例如材料表面的微小缺陷。在研究過程中，Yazdani的實驗小組與另外兩名普林斯頓大學物理學教授Andrei Bernevig和物理學助理教授Biao Lian合作，以瞭解潛在的物理機制。研究理論表明：在這個系統中，兩個重要的成分（相互作用和拓撲結構）在本質上看起來大多是相互解耦的，它們結合在一起。
這種耦合產生了實驗觀察到的拓撲絕緣體狀態。雖然量子拓撲學是一個相對較新的領域，但它具有給電氣工程、材料科學，特別是計算機科學領域帶來革命性變化的巨大潛力。人們經常談論它與量子計算的相關性，在量子計算中，可以利用這些拓撲量子態來製造更好型別的量子位元。瞭解量子資訊是如何在拓撲階段被編碼的，這一領域的研究正在產生令人興奮的新科學，並可能對推進量子資訊科技產生潛在的影響。
博科園｜研究/來自：普林斯頓大學
參考期刊《自然》
DOI: 10.1038/s41586-020-3028-8
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