石墨烯因多種優異特性在材料科學、量子運算領域引起大量關注，最近科學家發現，扭曲的雙層石墨烯存在一種獨特拓撲電子晶體狀態，其中電子以完美有序方式被「冷凍」在適當位置，但電流能毫不費力地沿著材料邊緣自由流動，展現物質非凡特性，能明顯增強未來量子資訊技術與運算能力。
石墨烯（graphene）是由單層碳原子組成、呈蜂巢晶格狀的二維材料，具優異導電性和強度，而 2018 年一群物理學家以稱為「魔角」的特定角度（約 1.1 度）精確堆疊石墨烯，進一步發現由此產生的拓撲結構形成摩爾紋（moiré pattern），並使這種特殊的「扭轉雙層石墨烯」出現超導特性。
由加拿大英屬哥倫比亞大學（UBC）、美國華盛頓大學、約翰·霍普金斯大學組成的團隊，最近再從扭曲雙層石墨烯結構內發現一種獨特電子晶體，可能對量子運算產生重大影響。
UBC 本科生 Ruiheng Su 在研究華盛頓大學博士後研究員 Dacen Waters 製作的扭曲雙層石墨烯樣本時，觀察到一種獨特配置：石墨烯內電子凍結成完美有序的陣列，被鎖定在各自位置同步旋轉，由此展現出內部因電子固定而保持絕緣、但電流可沿著材料邊緣流動的現象。
石墨烯新的量子狀態
研究人員表示，在材料邊緣流動的電流量由 2 個自然基本常數比率確定，該值精度又由拓撲電子晶體特性為基礎，就像甜甜圈不能順暢變形為椒鹽蝴蝶餅，在二維材料邊緣流轉的電子通道也能在周圍混亂環境下不受干擾。
科學家正在探討將這種獨特電子晶體狀態結合超導性的方法，以幫助建立下一代拓撲量子電腦的新型量子位元。
除了量子運算，這種現象在儲能、先進材料科學等領域可能也具影響力，由於材料內部絕緣，但電力可沿著材料邊緣流動，可能掀起電氣工程、可再生能源創新技術。
Electrons Frozen Yet Free: A Quantum Breakthrough in Graphene
Revolutionary Discovery: Electrons Freeze in Twisted Graphene, Paving the Way for Quantum Computing
（首圖來源：pixabay）