石墨烯中電子：凍結卻又自由——一項量子領域重大突破

研究人員透過扭轉石墨烯層，發現了一種獨特的電子晶體。在這種晶體中，電子雖看似凍結在原地，卻能讓電流毫無阻礙地沿著邊緣流動。這種現象由拓撲結構決定，就如同莫比烏斯帶那單面的特性一般。此發現對於量子計算領域可能有著重大意義。

來自英屬哥倫比亞大學、華盛頓大學以及約翰霍普金斯大學的研究團隊，在經過特殊設計的石墨烯中發現了一類新的量子態。他們發表於《自然》雜誌的研究揭示，在一種名為扭曲雙層 - 三層石墨烯的獨特材料中，存在著拓撲電子晶體。這個系統是透過將超薄的石墨烯層以精確的旋轉角度堆疊而成，從根本上改變了其電子行為。

這項研究的起點是兩片由碳原子以蜂巢狀結構排列而成的石墨烯薄片。英屬哥倫比亞大學物理與天文學系以及布盧森量子物質研究所（UBC Blusson QMI）的約書亞·福克教授表示，電子在碳原子間跳躍的方式決定了石墨烯的電學性質，這使得石墨烯在表面上與像銅這類更常見的導體有些相似。

接下來的步驟是將兩片石墨烯薄片稍微扭轉後堆疊在一起。福克教授稱，這會產生一種被稱為莫爾條紋的幾何干涉效應：堆疊後的某些區域，兩片石墨烯的碳原子正好上下對齊，而在其他區域，原子則相互錯開。

當電子在這種扭曲堆疊形成的莫爾條紋中跳躍時，電子性質會發生徹底改變。舉例來說，電子的移動速度會大幅減緩，有時它們的運動還會出現扭轉，就如同浴缸排水時，排水口處形成的漩渦一般。

此次研究中這項突破性的發現，是由英屬哥倫比亞大學的本科生蘇瑞恆觀察到的。他所研究的扭曲石墨烯樣本，是由華盛頓大學馬修·揚科維茨教授實驗室的博士後研究員達森·沃特斯博士製備的。在福克教授的實驗室進行實驗時，蘇瑞恆發現了該裝置的一種獨特配置：石墨烯中的電子凍結成一個完美有序的陣列，它們雖被固定在原地，卻像芭蕾舞演員般整齊劃一地旋轉，如同在進行靜止的單腳旋轉動作。這種同步旋轉引發了一個驚人的現象：電流能在樣本邊緣順暢流動，而內部卻因電子被固定而保持絕緣狀態。

值得注意的是，沿著邊緣流動的電流量，是由自然界的兩個基本常數——普朗克常數和電子電荷的比值精確決定的。這種精確性由電子晶體的拓撲性質所保證，拓撲學描述的是物體在適度變形下仍保持不變的特性。

揚科維茨表示，就如同一個甜甜圈若不先切開，就無法平滑地變形為一個椒鹽捲餅一樣，二維電子晶體邊界周圍的電子迴圈通道，不會受到周圍環境無序狀態的干擾。

這就導致了拓撲電子晶體出現一種過去傳統維格納晶體中未曾見過的矛盾行為——儘管電子凍結成有序陣列形成了晶體，但它仍能在邊界處導電。

拓撲學在日常生活中的一個例子就是莫比烏斯帶——一個簡單卻又令人費解的物體。想象一下，取一條紙條，將它圍成一個圈並把兩端粘起來。現在，再拿另一條紙條，在將兩端連線之前，把它扭轉一次。得到的就是莫比烏斯帶，一個只有單面和單邊的表面。令人驚奇的是，無論你如何嘗試操作這條帶子，若不把它撕開，就無法將它扭轉回正常的圈狀。

晶體中電子的旋轉類似於莫比烏斯帶的扭轉，這也造就了拓撲電子晶體一項前所未有的顯著特性：電子能在邊緣無電阻地流動，而在晶體內部卻被固定在原地。過去在極少數觀察到電子晶體的案例中，都未曾見過這種現象。

拓撲電子晶體並非只是理論上的新奇事物——它可能在推動量子資訊科技發展中扮演關鍵角色。科學家們正在探索將這種獨特的電子態與超導性相結合的方法，這一步驟或許有助於為下一代拓撲量子計算機創造量子位元。

參考文獻：蘇瑞恆、達森·沃特斯、周博然、渡邊健二、谷口隆、張雅慧、馬修·揚科維茨和約書亞·福克所著《扭曲石墨烯中莫爾驅動的拓撲電子晶體》，2025年1月22日，《自然》雜誌。DOI：10.1038/s41586 - 024 - 08239 - 6