Az MIT új grafén áttörése formálja a kvantumszámítás jövőjét

A részleges kvantum Hall-effektust általában nagyon erős mágneses mezők mellett észlelték, de az MIT fizikusai mára egyszerű grafénben is megfigyelték. A grafén/hatszögletű bór-nitrid (hBN) ötrétegű szuperrácsában az elektronok (kék golyó) erős kölcsönhatásba lépnek egymással, és úgy viselkednek, mintha tört töltésekre oszlanak fel. Köszönetnyilvánítás: Sampson Wilcox, RLE

Furcsa elektronikai állapotot észleltek Massachusetts Institute of Technology A fizikusok hatékonyabb formákat tehetnek lehetővé… Mennyiségi statisztika.

Az elektron az elektromosság alapegysége, mert egyetlen negatív töltést hordoz. Ezt tanultuk a középiskolai fizikában, és ez túlnyomórészt így van a legtöbb tárgyból a természetben.

De nagyon különleges halmazállapotokban az elektronok a teljes összességük részeire oszthatók. Ez a „részleges töltésként” ismert jelenség rendkívül ritka, és ha befogható és irányítható, az egzotikus elektronikus állapot segíthet rugalmas, hibatűrő kvantumszámítógépek felépítésében.

Eddig ezt a hatást, amelyet a fizikusok „törtkvantum Hall-effektusként” ismertek, sokszor megfigyelték, többnyire nagyon erős és gondosan karbantartott mágneses mezők mellett. A tudósok csak nemrég fedezték fel a hatást egy olyan anyagban, amely nem igényel ilyen erős mágneses manipulációt.

Az MIT fizikusai most megfigyelték a megfoghatatlan részleges töltéshatást, ezúttal egy egyszerűbb anyagban: öt réteg… Grafén – azt kukorica– Vékony szénréteg grafitból és közönséges ólomból származik. Eredményeikről február 21-én számoltak be a folyóiratban természet.

Csapatfotó. Balról jobbra: Long Ju, Zhengguang Lu posztdoktori kutató, Yuxuan Yao egyetemi hallgató, Tonghang Huang végzős hallgató. hitel: Jixiang Yang

Azt találták, hogy ha öt grafénlapot egymásra raknak, mint egy létra fokait, az így létrejövő szerkezet eredendően megfelelő feltételeket biztosít az elektronok számára, hogy a teljes töltésük részeként áthaladjanak, anélkül, hogy külső mágneses térre lenne szükség.

Az eredmények az első bizonyítéka a „részleges kvantumanomális Hall-effektusnak” (az „anomális” a mágneses tér hiányára utal) a kristályos grafénben, egy olyan anyagban, amelyről a fizikusok nem számítottak ilyen hatás kifejtésére.

„Ez az ötrétegű grafén olyan anyagrendszer, amelyben sok jó meglepetés történik” – mondja Long Ju, a tanulmány szerzője, az MIT fizika adjunktusa. „A törttöltés nagyon furcsa, és ezt a hatást most egy sokkal egyszerűbb rendszerrel és mágneses tér nélkül érhetjük el. Ez már önmagában is fontos az alapvető fizika szempontjából. Megnyílhat egy olyan típusú kvantumszámítás, amely robusztusabb. a zavarás ellen.”

Az MIT társszerzői közé tartozik Zhengguang Lu, Tonghang Han, Yuxuan Yao, Aidan Reddy, Jixiang Yang, Junseok Seo és Liang Fu, valamint Kenji Watanabe és Takashi Taniguchi a japán Nemzeti Anyagtudományi Intézetben.

Furcsa ország

A részleges kvantum-Hall-effektus egy példa azokra a furcsa jelenségekre, amelyek akkor léphetnek fel, amikor a részecskék önálló egységként viselkedő viselkedésről egészként viselkednek. Ez a kollektív „koherens” viselkedés speciális esetekben jelenik meg, például amikor az elektronokat lelassítják a szokásos frenetikus sebességükről egy kúszásra, amely lehetővé teszi a molekulák számára, hogy érzékeljék egymást és kölcsönhatásba léphessenek. Ezek a kölcsönhatások ritka elektronállapotokat idézhetnek elő, például az elektrontöltés szokatlan felhasadását.

1982-ben a tudósok felfedezték a részleges kvantum Hall-effektust gallium-arzenid heterostruktúrákban, amelyekben egy kétdimenziós síkba zárt elektronokból álló gázt nagy mágneses térben tartják. Ez a felfedezés vezetett később ahhoz, hogy a csoport megkapta a fizikai Nobel-díjat.

„[The discovery] „Ez nagyon nagy probléma volt, mert nagyon furcsa volt ezeknek a töltésegységeknek a kölcsönhatása oly módon, hogy valami töredékes töltést adjon” – mondja Joe. „Akkoriban még nem voltak elméleti előrejelzések, és a kísérletek mindenkit megleptek.”

Ezek a kutatók úttörő eredményeiket úgy érték el, hogy mágneses mezőket használtak az anyag elektronjainak lelassítására ahhoz, hogy kölcsönhatásba léphessenek. A mezők, amelyekkel dolgoztak, körülbelül 10-szer erősebbek voltak, mint azok, amelyek általában egy MRI-készüléket működtetnek.

2023 augusztusában a tudósok a Washingtoni Egyetem Beszámolt az első bizonyítékokról a mágneses tér nélküli részleges töltés létezésére. Megfigyelték a hatásnak ezt az „rendellenes” változatát, egy csavart félvezetőben, az úgynevezett molibdén-ditelluridban. A csoport elkészítette az anyagot egy meghatározott konfigurációval, amely a teoretikusok előrejelzése szerint az anyag belső mágneses teret ad, amely elegendő ahhoz, hogy az elektronok szétválását ösztönözze minden külső mágneses vezérlés nélkül.

A „nincs mágnes” eredmény ígéretes utat nyitott a topológiai kvantumszámítás felé – a kvantumszámítás egy biztonságosabb formája felé, ahol a topológia további összetevője (a torzítás vagy gyenge zavarás ellenére változatlan tulajdonság) további védelmet nyújt a qubit számára. számítás elvégzésekor. Ez a számítási séma a részleges kvantum Hall-effektus és a szupravezetés kombinációján alapul. Ezt szinte lehetetlen volt megvalósítani: az embernek erős mágneses térre van szüksége a részleges töltéshez, míg ugyanaz a mágneses tér általában megöli a szupravezetőt. Ebben az esetben a tört töltések egy qubit (a kvantumszámítógép alapegysége) lennének.

Lépések készítése

Ugyanebben a hónapban Gu és csapata a grafén anomáliás részleges töltésének jeleit is észlelte, egy olyan anyagban, amelyről nem számítottak ilyen hatásnak.

Gu csoportja a grafén elektronikus viselkedését vizsgálta, amely maga is kivételes tulajdonságokat mutatott be. A közelmúltban Gu csoportja az ötrétegű grafént vizsgálta, egy olyan szerkezetet, amely öt grafénlapból áll, amelyek mindegyike kissé távol volt egymástól, mint egy létra fokai. Ez az ötszögletű grafén szerkezet grafitba van ágyazva, és Scotch tape-val történő hámlasztással nyerhető. Ha nagyon hideg hőmérsékleten fagyasztóba helyezzük, a szerkezet elektronjai lelassulnak a kúszásig, és úgy reagálnak, ahogy általában nem tennének magasabb hőmérsékleten való barangoláskor.

A kutatók új munkájuk során számításokat végeztek, és azt találták, hogy az elektronok erősebb kölcsönhatásba léphetnek egymással, ha az ötszögletű rétegszerkezetet a hatszögletű bór-nitridhez (hBN) igazítják – ez az anyag a grafénéhoz hasonló atomi szerkezetű. kissé eltérő méretekkel. A két anyag együttesen egy szuperrácsot, egy összetett állványszerű atomi szerkezetet hoz létre, amely képes lelassítani az elektronok mozgását olyan módon, amely utánozza a mágneses teret.

„Elvégeztük ezeket a számításokat, aztán arra gondoltunk: „Csináljuk meg”” – mondja Joe, aki történetesen egy új hígítós hűtőszekrényt szerelt fel tavaly nyáron a MIT laboratóriumában, amelyet a csapat az anyagok rendkívül alacsony hőmérsékletre történő hűtésére tervez. hőmérsékletek. Elektronikus viselkedés.

A kutatók a hibrid grafénszerkezetből két mintát készítettek úgy, hogy először grafénrétegeket húztak le egy grafittömbről, majd optikai eszközökkel azonosították az ötrétegű pelyheket fokozatos konfigurációban. Ezután a grafén ostyát egy hBN ostyára bélyegezték, és egy második hBN ostyát helyeztek a grafén szerkezet tetejére. Végül elektródákat rögzítettek a szerkezetre és fagyasztóba helyezték, majd a közelébe helyezték Abszolút nulla.

Amikor áramot vezettek az anyagra, és megmérték a kimenő feszültséget, elkezdték látni a törttöltés jeleit, ahol a feszültség egyenlő az áramerősség szorzatával egy törtszámmal és néhány alapvető fizikai állandóval.

„Azon a napon, amikor megláttuk, először nem ismertük fel” – mondja Lu. „Aztán sikoltozni kezdtünk, amikor rájöttünk, hogy ez nagyon nagy dolog. Teljesen meglepő pillanat volt.”

„Valószínűleg ezek voltak az első komoly minták, amelyeket az új hűtőszekrénybe tettünk” – teszi hozzá Hahn, az első szerző. Miután megnyugodtunk, megvizsgáltuk a részleteket, hogy megbizonyosodjunk arról, hogy amit látunk, az valódi.”

További elemzéssel a csapat megerősítette, hogy a grafén szerkezete valóban egy részleges kvantumrendellenes Hall-effektust mutatott. Ez az első alkalom, hogy ezt a hatást grafénben mutatták ki.

„A grafén szupravezető is lehet” – mondja Gu. „Tehát két teljesen különböző hatás érhető el ugyanabban az anyagban, egymás mellett. Ha grafént használ a grafénnel való beszélgetéshez, sok nem kívánt hatást elkerül, amikor a grafént más anyagokhoz köti.”

Jelenleg a csapat folytatja a többrétegű grafén kutatását más ritka elektronikus állapotokhoz.

„Sok alapvető fizikaötlet és alkalmazás felfedezésében merülünk el” – mondja. „Tudjuk, hogy még több lesz.”

Hivatkozás: Zhengguang Lu, Tonghang Han, Yuxuan Yao, Aidan P. Reddy, Jixiang Yang, Junseok Seo, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Liang Fu és Long Ju „Partial quantum anomalous Hall-effektus többrétegű grafénben”, 2024. február 21. természet.
doi: 10.1038/s41586-023-07010-7

Ezt a kutatást részben a Sloan Alapítvány és a National Science Foundation támogatja.