电子似乎处于一个陌生而混乱的世界。尽管科学家们对电子的研究已经有一个多世纪了，但这些粒子从未停止过令人惊叹和令人困惑的地方。现在，更令人惊讶的是，物理学家发现，在某些条件下，相互作用的电子可以产生所谓的“拓扑量子态”。他们的研究结果发表在《自然》杂志上。技术研究领域有影响，尤其是信息技术。物质的拓扑状态是一种特别有趣的量子现象。该研究结合了量子物理学和拓扑学。

拓扑学是理论数学的一个分支，研究可以变形但不能本质上改变的几何特性。拓扑量子态于 2016 年首次引起公众关注，当时三位科学家因发现拓扑在电子材料中的作用而获得诺贝尔奖（普林斯顿大学 Thomas D. Jones 数学与物理学教授 Duncan Haldane 和谢尔曼费尔柴尔德大学物理学教授，作为以及大卫·索利斯和迈克尔·科斯特利茨）。这项研究的资深作者、1909 年普林斯顿大学物理学教授阿里亚兹达尼说：在过去的十年里，人们对电子的新拓扑量子态感到非常兴奋。

在过去十年中，大多数发现都集中在电子如何获得这些拓扑特性上，而没有考虑它们的相互作用。但是通过使用一种称为魔角扭曲双层石墨烯的材料，研究小组能够探索相互作用的电子如何产生令人惊讶的物质相。两年前，麻省理工学院 (MIT) 团队使用石墨烯诱导超导性（电子在没有任何阻力的情况下自由流动的状态），并发现了石墨烯的非凡特性。这一发现立即被公认为探索不寻常量子现象的新材料平台。

研究人员对这一发现非常感兴趣，并着手进一步探索超导的复杂性。但他们的发现将他们引向了一条从未有人涉足的不同道路。该研究的主要作者、物理学研究生凯文·纳科尔斯 (Kevin Nuckolls) 说：这是一次奇妙的绕道而行。这是完全出乎意料的。我们注意到了一些非常重要的事情。继 Jarillo-Herrero 和他的团队之后，Yazdani、Nuckolls 和其他研究人员将研究重点放在扭曲的双层石墨烯上。

扭曲双层石墨烯

扭曲的双层石墨烯是一种神奇的材料，是碳原子的二维晶格，是一种很好的电导体，也是已知最强的晶体之一。石墨烯的生产方式看似简单但费力：用胶带将大块石墨（铅笔中的纯石墨）剥离，去掉顶层，直到最终形成单原子薄碳层，原子排列成平面。蜂窝格子图案。为了获得想要的量子效应，普林斯顿大学的研究人员根据 Jarillo-Herrero 的研究，将两个石墨烯片叠在一起，顶层略微倾斜。

这种扭曲形成了莫尔条纹，类似于常见的法国纺织品设计，并以此命名。然而，重要的一点是石墨烯顶层的角度：准确地说是1.1度，这是产生量子效应的“魔角”角。在自然界中，这是一个非常奇怪的角度。需要达到的正是这个角度。例如，将石墨烯顶层倾斜 1.2 度不会产生任何效果。研究人员产生了极低的温度并产生了轻微的磁场，然后使用了一种称为扫描隧道显微镜的机器。

这种类型的显微镜依靠一种称为“量子隧道”的技术而不是光来观察原子和亚原子世界。研究人员将显微镜的导电金属尖端指向“魔角”以扭曲双层石墨烯表面，并能够检测到电子的能级。人们发现魔角石墨烯改变了石墨烯片上电子的运动，它似乎创造了一种条件，迫使电子具有相同的能量，研究人员称之为“平带”。当电子具有相同的能量时（在平带材料中）它们相互作用非常强烈，这种相互作用可以让电子做许多奇怪的事情。

拓扑量子态

而这些奇特的现象会产生意想不到的自发拓扑状态。石墨烯的这种变形为在电子之间产生非常强的相互作用创造了合适的条件。这种相互作用出乎意料地帮助电子将自己组织成一系列拓扑量子态。具体而言，研究发现电子之间的相互作用会产生拓扑绝缘体。这是一种独特的装置，内部充当绝缘体，这意味着内部的电子不能自由移动，因此不导电。然而，边缘上的电子可以自由移动，这意味着它们是导电的。

此外，由于拓扑结构的特殊性，沿边缘流动的电子不会受到任何缺陷或变形的阻碍。它们连续有效地流动，绕过通常阻碍电子运动的限制，例如材料表面的微小缺陷。在研究过程中，Yazdani 的实验团队与另外两名普林斯顿大学物理学教授 Andrei Bernevig 和物理学助理教授 Biao Lian 合作，以了解潜在的物理机制。研究理论表明，在这个系统中，两个重要的组成部分（交互和拓扑）在本质上似乎大多是相互解耦的，它们结合在一起。