新技术让科学家能够创建无电阻电子通道

由扭曲的单层-双层石墨烯制成的量子反常霍尔绝缘体中手性界面状态波函数（明亮条纹）的扫描隧道显微镜图像。图片来源：Canxun Zhang/Berkeley Lab

由劳伦斯伯克利国家实验室（伯克利实验室）领导的一个国际研究小组拍摄了第一张原子分辨率图像，并展示了手性界面态的电控制——一种奇特的量子现象，可以帮助研究人员推进量子计算和节能电子技术。

手性界面状态是一个导电通道，它允许电子只在一个方向上传播，防止它们向后散射并产生浪费能量的电阻。研究人员正在努力更好地了解真实材料中手性界面状态的特性，但事实证明，可视化它们的空间特征非常困难。

但现在，伯克利实验室和加州大学伯克利分校的一个研究小组拍摄的原子分辨率图像首次直接可视化了手性界面状态。研究人员还演示了在二维绝缘体中按需创建这些无电阻导电通道。

他们的工作发表在《自然物理学》杂志上，是伯克利实验室更广泛推动量子计算和其他量子信息系统应用的一部分，包括设计和合成量子材料以满足紧迫的技术需求。

“以前的实验已经证明存在手性界面状态，但从来没有人以如此高的分辨率可视化它们。我们的工作首次展示了这些一维状态在原子尺度上的样子，包括我们如何改变它们 - 甚至创造它们，“第一作者Canxun Zhang说，他是伯克利实验室材料科学部和加州大学伯克利分校物理系的前研究生研究员。他现在是加州大学圣塔芭芭拉分校的博士后研究员。

手性界面状态可能发生在某些类型的二维材料中，称为量子反常霍尔 （QAH） 绝缘体，这些绝缘体是块状绝缘体，但在一维“边缘”（材料的物理边界和与其他材料的界面）上无电阻地传导电子。

为了制备手性界面态，该团队在伯克利实验室的分子铸造厂工作，制造了一种称为扭曲单层双层石墨烯的装置，它是两层原子薄的石墨烯相对于彼此精确旋转的堆栈，创造了一个表现出QAH效应的摩尔超晶格。

在加州大学伯克利分校物理系的后续实验中，研究人员使用扫描隧道显微镜（STM）检测样品中的不同电子状态，使他们能够可视化手性界面状态的波函数。其他实验表明，手性界面状态可以通过调节放置在石墨烯层下方的栅极上的电压在样品中移动。

在最后的控制演示中，研究人员表明，来自STM探针尖端的电压脉冲可以将手性界面状态“写入”样品中，将其擦除，甚至重写电子以相反方向流动的新状态。

这些发现可能有助于研究人员建立可调谐电子通道网络，有望在未来实现节能微电子和低功耗磁存储设备，并利用QAH绝缘体中的奇异电子行为进行量子计算。

研究人员打算利用他们的技术来研究相关材料中更奇特的物理学，例如任意子，一种新型的准粒子，可以实现量子计算的途径。

“我们的结果提供了以前不可能提供的信息。还有很长的路要走，但这是良好的第一步，“张说。

更多信息：Canxun Zhang 等人，摩尔纹量子反常霍尔绝缘体中手性界面态的操纵，Nature Physics （2024）。DOI： 10.1038/s41567-024-02444-w

期刊信息： Nature Physics