Nowy przełom w dziedzinie grafenu z MIT kształtuje przyszłość obliczeń kwantowych

Częściowy kwantowy efekt Halla ogólnie obserwowano w bardzo silnych polach magnetycznych, ale fizycy z MIT zaobserwowali go teraz w prostym grafenie. W pięciowarstwowej supersieci grafenu/sześciokątnego azotku boru (hBN) elektrony (niebieska kula) silnie oddziałują ze sobą i zachowują się tak, jakby były podzielone na ładunki ułamkowe. Źródło: Sampson Wilcox, RLE

Zaobserwowano dziwny stan elektroniki Instytut Technologii w Massachusetts Fizycy mogą stworzyć potężniejsze formy… Statystyka ilościowa.

Elektron jest podstawową jednostką energii elektrycznej, ponieważ niesie ze sobą pojedynczy ładunek ujemny. Tego właśnie nauczyliśmy się na fizyce w szkole średniej i dotyczy to w przeważającej mierze większości przedmiotów przyrodniczych.

Ale w bardzo szczególnych stanach materii elektrony mogą rozdzielić się na części całkowitej sumy. Zjawisko to, znane jako „ładunek częściowy”, jest niezwykle rzadkie i jeśli uda się je złapać i kontrolować, egzotyczny stan elektroniczny może pomóc w budowie elastycznych, odpornych na awarie komputerów kwantowych.

Jak dotąd efekt ten, znany fizykom jako „ułamkowy kwantowy efekt Halla”, był obserwowany wielokrotnie, głównie w bardzo wysokich i starannie utrzymywanych polach magnetycznych. Dopiero niedawno naukowcy odkryli ten efekt w materiale, który nie wymaga tak silnej manipulacji magnetycznej.

Teraz fizycy z MIT zaobserwowali nieuchwytny efekt ładunku częściowego, tym razem w prostszym materiale: pięciu warstwach… Grafen – To kukurydza– Cienka warstwa węgla pochodzi z grafitu i zwykłego ołowiu. O swoich odkryciach poinformowali 21 lutego w czasopiśmie Natura.

Zdjęcie zespołu. Od lewej do prawej: Long Ju, badacz ze stopniem doktora Zhengguang Lu, odwiedzający student studiów licencjackich Yuxuan Yao, absolwent Tonghang Huang. Źródło: Jixiang Yang

Odkryli, że gdy pięć arkuszy grafenu ułoży się w stos niczym szczeble drabiny, powstała struktura z natury zapewnia odpowiednie warunki do przejścia elektronów w ramach ich całkowitego ładunku, bez potrzeby stosowania zewnętrznego pola magnetycznego.

Wyniki stanowią pierwszy dowód na „częściowy kwantowy anomalny efekt Halla” („anomalny” odnosi się do braku pola magnetycznego) w krystalicznym grafenie – materiale, w przypadku którego fizycy nie spodziewali się takiego efektu.

„Ten pięciowarstwowy grafen to system materialny, w którym zdarza się wiele dobrych niespodzianek” – mówi autor badania Long Ju, adiunkt fizyki w MIT. „Ładunek ułamkowy jest bardzo dziwny i teraz możemy osiągnąć taki efekt, stosując znacznie prostszy system i bez pola magnetycznego. To samo w sobie jest ważne dla fizyki podstawowej. Mogłoby otworzyć możliwość bardziej niezawodnego rodzaju obliczeń kwantowych przed zakłóceniami.”

Współautorami z MIT są główny autor Zhengguang Lu, Tonghang Han, Yuxuan Yao, Aidan Reddy, Jixiang Yang, Junseok Seo i Liang Fu, a także Kenji Watanabe i Takashi Taniguchi z Narodowego Instytutu Nauki o Materiałach w Japonii.

Dziwny kraj

Częściowy kwantowy efekt Halla jest przykładem dziwnego zjawiska, które może wystąpić, gdy cząstki przestają zachowywać się jak pojedyncze jednostki, a zachowują się razem jako całość. To zbiorowe „spójne” zachowanie pojawia się w szczególnych przypadkach, na przykład gdy elektrony są zwalniane z ich normalnie szalonej prędkości do pełzania, które umożliwia cząsteczkom wzajemne wyczuwanie i interakcję. Te interakcje mogą powodować rzadkie stany elektronowe, takie jak niekonwencjonalny podział ładunku elektronów.

W 1982 roku naukowcy odkryli częściowy kwantowy efekt Halla w heterostrukturach arsenku galu, w których gaz elektronów zamknięty w dwuwymiarowej płaszczyźnie jest utrzymywany pod silnym polem magnetycznym. Odkrycie to doprowadziło później do otrzymania przez grupę Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki.

„[The discovery] „To był bardzo duży problem, ponieważ interakcja tych jednostek ładunku w sposób dający coś w rodzaju ładunku ułamkowego była bardzo dziwna” – mówi Joe. „W tamtym czasie nie było jeszcze przewidywań teoretycznych, a eksperymenty zaskoczyły wszystkich”.

Badacze ci osiągnęli swoje pionierskie wyniki, wykorzystując pola magnetyczne do spowolnienia elektronów materiału na tyle, aby mogły one wejść w interakcję. Pola, z którymi pracowali, były około 10 razy silniejsze niż te, które normalnie zasilają maszynę MRI.

W sierpniu 2023 roku naukowcy z uniwersytet Waszyngtoński Podał pierwszy dowód na istnienie ładunku częściowego bez pola magnetycznego. Zaobserwowali tę „anomalną” wersję efektu w skręconym półprzewodniku zwanym ditelluridem molibdenu. Grupa przygotowała materiał o określonej konfiguracji, która według przewidywań teoretyków nada materiałowi nieodłączne pole magnetyczne wystarczające do zachęcenia elektronów do rozdzielenia się bez zewnętrznej kontroli magnetycznej.

Wynik „brak magnesu” otworzył obiecującą ścieżkę do topologicznego przetwarzania kwantowego – bezpieczniejszej formy obliczeń kwantowych, w której dodatkowy składnik topologii (właściwość pozostająca niezmieniona w obliczu zniekształceń lub słabych zakłóceń) zapewnia dodatkową ochronę kubitu podczas wykonywania obliczeń. Ten schemat obliczeń opiera się na połączeniu częściowego kwantowego efektu Halla i nadprzewodnictwa. Uświadomienie sobie tego było prawie niemożliwe: do uzyskania częściowego ładunku potrzebne jest silne pole magnetyczne, podczas gdy to samo pole magnetyczne zwykle zabijałoby nadprzewodnik. W tym przypadku ładunkami ułamkowymi byłby kubit (podstawowa jednostka komputera kwantowego).

Robienie kroków

W tym samym miesiącu Gu i jego zespół zauważyli także oznaki anomalnego ładunku częściowego w grafenie – materiale, który nie miał wykazywać takiego efektu.

Grupa Gu badała zachowanie elektronów w grafenie, który sam w sobie wykazał wyjątkowe właściwości. Niedawno grupa Gu badała grafen pięciowarstwowy, strukturę składającą się z pięciu arkuszy grafenu, każdy ułożony w niewielkiej odległości od pozostałych, niczym szczeble drabiny. Ta pięciokątna struktura grafenu jest osadzona w graficie i można ją uzyskać poprzez eksfoliację taśmą klejącą. Po umieszczeniu w zamrażarce w bardzo niskich temperaturach elektrony w strukturze zwalniają, pełzając i reagują w sposób, w jaki normalnie nie zareagowałyby, poruszając się po wyższych temperaturach.

W swojej nowej pracy naukowcy przeprowadzili pewne obliczenia i odkryli, że elektrony mogłyby oddziaływać ze sobą silniej, gdyby pięciokątna struktura warstw została wyrównana z heksagonalnym azotkiem boru (hBN) – materiałem o strukturze atomowej podobnej do grafenu, ale o nieco innych wymiarach. Połączenie tych dwóch materiałów powinno stworzyć supersieć, złożoną strukturę atomową przypominającą rusztowanie, która może spowalniać ruch elektronów w sposób imitujący pole magnetyczne.

„Przeprowadziliśmy te obliczenia, a potem pomyśleliśmy: «Zróbmy to»” – mówi Joe, któremu zeszłego lata tak się złożyło, że zainstalował w swoim laboratorium na MIT nową lodówkę do rozcieńczania, której zespół planował używać do chłodzenia materiałów do ekstremalnie niskich temperatur. temperatury. Zachowanie elektroniczne.

Naukowcy wyprodukowali dwie próbki hybrydowej struktury grafenu, najpierw odrywając warstwy grafenu z bloku grafitu, a następnie za pomocą narzędzi optycznych zidentyfikowali pięciowarstwowe płatki w stopniowanej konfiguracji. Następnie wytłoczyli płytkę grafenową na płytce hBN i umieścili drugą płytkę hBN na wierzchu struktury grafenowej. Na koniec przymocowali elektrody do konstrukcji i umieścili ją w zamrażarce, a następnie umieścili w jej bliskiej odległości Zero absolutne.

Kiedy przyłożyli prąd do materiału i zmierzyli napięcie wyjściowe, zaczęli dostrzegać sygnatury ładunku ułamkowego, gdzie napięcie równa się prądowi pomnożonemu przez liczbę ułamkową i pewne podstawowe stałe fizyczne.

„W dniu, w którym go zobaczyliśmy, w pierwszej chwili go nie poznaliśmy” – mówi pierwszy autor Lu. „Potem zaczęliśmy krzyczeć, kiedy zdaliśmy sobie sprawę, że to naprawdę wielka sprawa. To był całkowicie zaskakujący moment. „

„Były to prawdopodobnie pierwsze poważne próbki, które umieściliśmy w nowej lodówce” – dodaje współautor Hahn. Kiedy się uspokoiliśmy, przyjrzeliśmy się szczegółom, aby upewnić się, że to, co widzimy, jest prawdziwe”.

W wyniku dalszej analizy zespół potwierdził, że struktura grafenu rzeczywiście wykazywała częściowy kwantowy anomalny efekt Halla. Po raz pierwszy wykazano ten efekt w przypadku grafenu.

„Grafen może być również nadprzewodnikiem” – mówi Gu. „Możesz więc uzyskać dwa zupełnie różne efekty w tym samym materiale, obok siebie. Jeśli użyjesz grafenu do rozmowy z grafenem, unikniesz wielu niepożądanych efektów, gdy połączysz grafen z innymi materiałami.”

Obecnie zespół kontynuuje badania wielowarstwowego grafenu pod kątem innych rzadkich stanów elektronowych.

„Zagłębiamy się, aby zbadać wiele podstawowych pomysłów i zastosowań fizyki” – mówi. „Wiemy, że będzie ich więcej”.

Odniesienie: „Częściowy kwantowy anomalny efekt Halla w grafenie wielowarstwowym” autorstwa Zhengguang Lu, Tonghang Han, Yuxuan Yao, Aidan P. Reddy, Jixiang Yang, Junseok Seo, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Liang Fu i Long Ju, 21 lutego 2024 r., Natura.
doi: 10.1038/s41586-023-07010-7

Badania te są częściowo wspierane przez Fundację Sloana i Narodową Fundację Nauki.