Nieuw onderzoek onthult exotisch elektronenkristal in grafeen

Onderzoekers van de University of British Columbia, de University of Washington en de Johns Hopkins University hebben een nieuwe klasse kwantumtoestanden geïdentificeerd in een op maat gemaakte grafeenstructuur.

Gepubliceerd in Natuur, de studie rapporteert de ontdekking van topologische elektronische kristallen in gedraaid dubbellaags-drielaags grafeen, een systeem gecreëerd door het introduceren van een precieze rotatiedraaiing tussen gestapelde tweedimensionale materialen.

“Het uitgangspunt voor dit werk zijn twee vlokken grafeen, die zijn opgebouwd uit koolstofatomen die in een honingraatstructuur zijn gerangschikt. De manier waarop elektronen tussen de koolstofatomen springen, bepaalt de elektrische eigenschappen van het grafeen, dat uiteindelijk oppervlakkig vergelijkbaar is met meer gewone geleiders zoals koper”, zegt prof. Joshua Folk, lid van de afdeling Natuurkunde en Sterrenkunde van UBC en het Blusson Quantum Matter Institute (UBC Blusson QMI).

“De volgende stap is het op elkaar stapelen van de twee vlokken met een kleine draai ertussen. Dit genereert een geometrisch interferentie-effect dat bekend staat als een moirépatroon: sommige delen van de stapel hebben koolstofatomen van de twee vlokken direct op elkaar, terwijl in andere regio’s zijn de atomen verschoven,’ zei Folk.

“Wanneer elektronen door dit moirépatroon in de gedraaide stapel springen, veranderen de elektronische eigenschappen totaal. De elektronen vertragen bijvoorbeeld heel langzaam en soms ontwikkelen ze een draai in hun beweging, zoals de draaikolk in het water aan de afvoer van een badkuip terwijl deze leegloopt.”

De baanbrekende ontdekking die in dit onderzoek wordt gerapporteerd, werd waargenomen door een student, Ruiheng Su, van UBC, die een gedraaid grafeenmonster bestudeerde, bereid door Dr. Dacen Waters, een postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van prof. Matthew Yankowitz aan de Universiteit van Washington.

Terwijl hij aan het experiment in het laboratorium van Folk werkte, ontdekte Ruiheng een unieke configuratie voor het apparaat waarbij de elektronen in het grafeen bevroor tot een perfect geordende reeks, op hun plaats vergrendeld en toch in harmonie ronddraaiend, zoals balletdansers die sierlijk stationaire pirouettes uitvoeren. Deze gesynchroniseerde rotatie leidt tot een opmerkelijk fenomeen waarbij elektrische stroom moeiteloos langs de randen van het monster vloeit, terwijl de binnenkant isolerend blijft omdat de elektronen worden geïmmobiliseerd.

Opmerkelijk is dat de hoeveelheid stroom die langs de rand vloeit precies wordt bepaald door de verhouding van twee fundamentele natuurconstanten: de constante van Planck en de lading van het elektron. De nauwkeurigheid van deze waarde wordt gegarandeerd door een eigenschap van elektronenkristallen die bekend staat als topologie, die de eigenschappen beschrijft van objecten die onveranderd blijven door bescheiden vervormingen.

“Net zoals een donut niet soepel kan worden vervormd tot een krakeling zonder hem eerst open te snijden, blijft het circulerende elektronenkanaal rond het 2D-elektronenkristal op de grens ongestoord door wanorde in de omringende omgeving”, zegt Yankowitz.

“Dit leidt tot een paradoxaal gedrag van het topologische elektronische kristal dat niet te zien is in conventionele Wigner-kristallen uit het verleden – ondanks dat het kristal zich vormt bij het bevriezen van elektronen in een geordende reeks, kan het niettemin elektriciteit langs zijn grenzen geleiden.”

Een alledaags voorbeeld van topologie is de Möbius-strip: een eenvoudig maar verbijsterend object. Stel je voor dat je een strook papier neemt, er een lus van maakt en de uiteinden aan elkaar plakt. Neem nu nog een strook, maar voordat u de uiteinden samenvoegt, draait u deze een enkele draai. Het resultaat is een Möbiusstrook, een oppervlak met slechts één zijde en één rand. Verbazingwekkend genoeg kun je, hoe je de strip ook probeert te manipuleren, hem niet weer in een normale lus losdraaien zonder hem uit elkaar te scheuren.

De rotatie van de elektronen in het kristal is analoog aan de draaiing in de Möbius-strip en leidt tot een opmerkelijk kenmerk van een topologisch elektronisch kristal dat nog nooit eerder is gezien in de zeldzame gevallen waarin in het verleden elektronenkristallen zijn waargenomen: randen waar elektronen stromen zonder weerstand, beschreven als op zijn plaats opgesloten in het kristal zelf.

Het topologische elektronenkristal is niet alleen fascinerend vanuit conceptueel oogpunt, maar opent ook nieuwe mogelijkheden voor vooruitgang in kwantuminformatie. Deze omvatten toekomstige pogingen om het topologische elektronenkristal te koppelen aan supergeleiding, die de basis vormen voor qubits voor topologische kwantumcomputers.