Forskare vid Stockholms universitet förutsäger nya sammanflätade kvanttillstånd i moirématerial
Inom det snabbt föränderliga fältet kvantmaterial skickar teoretiker vid Stockholms universitet fram gränserna för vilken sorts exotisk materia som kan existera. Två nya arbeten – ett nyligen publicerat i Nature Communications och ett annat utvalt som ”Editors’ Suggestion” i Physical Review Letters – avslöjar slående okonventionella tillstånd för elektroner som kan bana väg för framtida kvantteknologier.
Studien i Nature Communications, skriven av postdoktorerna Raul Perea Causin och Hui Liu tillsammans med Professor Emil Bergholtz, förutsäger bildandet av så kallade Hall-kristaller i moiré-supergitter – artificiella material skapade genom att stapla atomtunna lager av halvledare eller grafen med små vridningsvinklar. Dessa kristaller är anmärkningsvärda eftersom de kombinerar två till synes motsatta beteenden: elektroner arrangerar sig i en ordnad kristallstruktur samtidigt som de upprätthåller topologiska egenskaper förknippade med kvantiserad Hall-konduktans. En sådan sammanflätad ordning utmanar den traditionella synen att lokalisering och topologi är ömsesidigt uteslutande. Genom att visa hur starka elektron-elektron-interaktioner i moirématerial stabiliserar dessa hybridtillstånd, erbjuder arbetet ett nytt konceptuellt ramverk för att förstå korrelerade kvantfaser.
Ännu mer slående är förutsägelserna i den artikeln i Physical Review Letters, skriven av Hui Liu och Emil Bergholtz tillsammans med Zhao Liu (en tidigare gruppmedlem, nu Professor vid Zhejiang University, Kina). Denna studie identifierar en familj av icke-abelska materietillstånd – fas där elektroners kollektiva beteende ger upp till excitationer som flätas omkring varandra på ett fundamentalt kvantsätt. Dessa icke-abelska tillstånd är av djupt teoretiskt intresse: de realiserar matematiska strukturer som länge studerats inom fysiken och skulle en dag kunna tjäna som byggstenar för feltolerant kvantberäkning.
Det som gör upptäckten särskilt överraskande är att dessa icke-abella tillstånd uppstår i en miljö där ferromagnetism, laddningsordning och topologi konkurrerar nära med varandra. Studien visar att starka Coulomb-interaktioner kan driva ett enkelt metalliskt system till ett Chern-isolerande tillstånd med en oväntat rik intern struktur. Med andra ord, snarare än att undertrycka topologi, skapar interaktioner här en helt ny topologisk fas med sammanflätade magnetiska, laddnings- och flätningsegenskaper.
Även om aspekter av dessa förutsägelser är mycket abstrakta, erbjuder de nya riktningar för grundforskning. Samtidigt är moirématerial en exceptionellt mångsidig experimentell plattform, och flera av de föreslagna fenomenen kan vara inom räckhåll för experiment i nära framtid.
Tillsammans understryker dessa två arbeten den teoretiska fysikens kraft att kartlägga okänt territorium i kvantmateria och avslöjar exotiska tillstånd som skulle kunna transformera både den grundläggande förståelsen och de tekniska tillämpningarna av kvantmaterial.
Dessa resultat utökar gruppens nyligen publicerade viktiga arbete om parafermioner (publicerat i Nature Communications) och bygger på en tidig teoretisk förutsägelse av Ahmed Abouelkomsan (dåvarande doktorand, nu postdoc på MIT), Zhao Liu och Emil Bergholtz (publicerad i Physical Review Letters som en ”Editors’ Suggestion”), som banade ny väg inom området genom att för första gången visa att fraktionerade Chern-isolatorer kan bildas i moirématerial – en förutsägelse som sedan dess har bekräftats experimentellt.
Mer information
Senast uppdaterad: 10 september 2025
Sidansvarig: Gunilla Häggström, Kommunikatör, Fysikum