Všimol si zvláštny stav elektroniky Massachusettský Inštitút Technológie Fyzici môžu umožniť výkonnejšie formy… Kvantitatívna štatistika.

Elektrón je základnou jednotkou elektriny, pretože nesie jediný záporný náboj. Toto sme sa učili na strednej škole fyziky a je to tak v drvivej väčšine prípadov v prírode.

Ale vo veľmi zvláštnych stavoch hmoty sa elektróny môžu rozdeliť na časti svojho celku. Tento jav, známy ako „čiastočný náboj“, je extrémne zriedkavý, a ak sa dá zachytiť a kontrolovať, exotický elektronický stav by mohol pomôcť vybudovať flexibilné kvantové počítače odolné voči chybám.

Doteraz bol tento efekt, známy fyzikom ako „frakčný kvantový Hallov efekt“, pozorovaný mnohokrát, väčšinou pod veľmi vysokými a starostlivo udržiavanými magnetickými poľami. Len nedávno vedci objavili efekt v materiáli, ktorý nevyžaduje takú silnú magnetickú manipuláciu.

Teraz fyzici z MIT pozorovali nepolapiteľný efekt čiastočného náboja, tentoraz v jednoduchšom materiáli: päť vrstiev… Grafén – to kukurica– Tenká vrstva uhlíka pochádza z grafitu a obyčajného olova. O svojich zisteniach informovali 21. februára v časopise prírody.

Tímová fotografia. Zľava doprava: Long Ju, postdoktorandský výskumník Zhengguang Lu, hosťujúci vysokoškolák Yuxuan Yao, postgraduálny študent Tonghang Huang. Poďakovanie: Jixiang Yang

Zistili, že keď je päť listov grafénu naskladaných ako priečky rebríka, výsledná štruktúra vo svojej podstate poskytuje správne podmienky na to, aby elektróny prešli ako súčasť ich celkového náboja, bez potreby akéhokoľvek vonkajšieho magnetického poľa.

Výsledky sú prvým dôkazom „čiastočného kvantového anomálneho Hallovho efektu“ („anomálny“ označuje neprítomnosť magnetického poľa) v kryštalickom graféne, materiáli, u ktorého fyzici neočakávali, že bude mať tento efekt.

„Tento päťvrstvový grafén je materiálový systém, v ktorom dochádza k mnohým dobrým prekvapeniam,“ hovorí autor štúdie Long Ju, odborný asistent fyziky na MIT. „Frakčný náboj je veľmi zvláštny a teraz môžeme dosiahnuť tento efekt pomocou oveľa jednoduchšieho systému a bez magnetického poľa. To samo o sebe je dôležité pre základnú fyziku. Mohlo by to otvoriť možnosť typu kvantových výpočtov, ktoré sú robustnejšie.“ proti rušeniu.“

Medzi spoluautorov na MIT patria vedúci autor Zhengguang Lu, Tonghang Han, Yuxuan Yao, Aidan Reddy, Jixiang Yang, Junseok Seo a Liang Fu spolu s Kenji Watanabe a Takashi Taniguchi z Národného inštitútu materiálovej vedy v Japonsku.

Zvláštna krajina

Čiastočný kvantový Hallov efekt je príkladom zvláštnych javov, ktoré môžu nastať, keď sa častice prepnú z toho, že sa správajú ako jednotlivé jednotky, na spoločné správanie ako celok. Toto kolektívne „koherentné“ správanie sa objavuje v špeciálnych prípadoch, napríklad keď sú elektróny spomalené zo svojej normálnej frenetickej rýchlosti na plazenie, ktoré umožňuje molekulám vzájomne sa vnímať a interagovať. Tieto interakcie môžu produkovať zriedkavé elektronické stavy, ako je nekonvenčné rozdelenie elektrónového náboja.

V roku 1982 vedci objavili čiastočný kvantový Hallov efekt v heteroštruktúrach arzenidu gália, v ktorých je plyn elektrónov obmedzený v dvojrozmernej rovine pod vysokými magnetickými poľami. Tento objav neskôr viedol k tomu, že skupina dostala Nobelovu cenu za fyziku.

„[The discovery] „Bol to veľmi veľký problém, pretože interakcia týchto nabíjacích jednotiek spôsobom, ktorý dáva niečo ako zlomkový náboj, bola veľmi zvláštna,“ hovorí Joe. „V tom čase neexistovali žiadne teoretické predpovede a experimenty prekvapili každého.“

Títo výskumníci dosiahli svoje priekopnícke výsledky pomocou magnetických polí na spomalenie elektrónov materiálu dostatočne na to, aby mohli interagovať. Polia, s ktorými pracovali, boli asi 10-krát silnejšie ako tie, ktoré bežne poháňajú MRI prístroj.

V auguste 2023 vedci na Washingtonská univerzita Oznámil prvé dôkazy o existencii čiastočného náboja bez magnetického poľa. Pozorovali túto „anomálnu“ verziu efektu v skrútenom polovodiči nazývanom ditellurid molybdénu. Skupina pripravila materiál so špecifickou konfiguráciou, o ktorej teoretici predpovedali, že poskytne materiálu vlastné magnetické pole, dostatočné na to, aby povzbudilo elektróny, aby sa rozdelili bez akejkoľvek vonkajšej magnetickej kontroly.

Výsledok „bez magnetu“ otvoril sľubnú cestu k topologickým kvantovým výpočtom – bezpečnejšej forme kvantových výpočtov, kde dodatočná zložka topológie (vlastnosť, ktorá zostáva nezmenená pri skreslení alebo slabom rušení) poskytuje dodatočnú ochranu qubitu. pri vykonávaní výpočtu. Táto schéma výpočtu je založená na kombinácii čiastočného kvantového Hallovho javu a supravodivosti. Bolo takmer nemožné si to uvedomiť: človek potrebuje silné magnetické pole, aby získal čiastočný náboj, zatiaľ čo rovnaké magnetické pole by zvyčajne zabilo supravodič. V tomto prípade by zlomkové náboje boli qubit (základná jednotka kvantového počítača).

Robiť kroky

V tom istom mesiaci Gu a jeho tím tiež náhodou zaznamenali známky anomálneho čiastočného náboja v graféne, čo je materiál, od ktorého sa neočakávalo, že bude mať taký účinok.

Guova skupina skúmala elektronické správanie v graféne, ktorý sám o sebe preukázal výnimočné vlastnosti. Nedávno Guova skupina skúmala päťvrstvový grafén, štruktúru pozostávajúcu z piatich grafénových listov, z ktorých každý je naskladaný mierne od seba ako priečky rebríka. Táto päťuholníková grafénová štruktúra je vložená do grafitu a možno ju získať exfoliáciou pomocou škótskej pásky. Keď sa umiestni do mrazničky pri veľmi nízkych teplotách, elektróny štruktúry sa spomalia na plazenie a reagujú spôsobom, akým by normálne nereagovali pri potulkách pri vyšších teplotách.

Vo svojej novej práci výskumníci vykonali niekoľko výpočtov a zistili, že elektróny by mohli navzájom silnejšie interagovať, ak by bola štruktúra päťuholníkovej vrstvy zarovnaná s hexagonálnym nitridom bóru (hBN) – materiálom s atómovou štruktúrou podobnou štruktúre grafénu, ale s trochu inými rozmermi. V kombinácii by tieto dva materiály mali vytvoriť supermriežku, komplexnú atómovú štruktúru podobnú lešeniu, ktorá môže spomaliť pohyb elektrónov spôsobmi, ktoré napodobňujú magnetické pole.

„Urobili sme tieto výpočty a potom sme si pomysleli: 'Poďme na to',“ hovorí Joe, ktorý minulé leto náhodou nainštaloval do svojho laboratória na MIT novú chladničku na riedenie, ktorú tím plánoval použiť na chladenie materiálov na extrémne nízku úroveň. teploty. Elektronické správanie.

Výskumníci vyrobili dve vzorky hybridnej grafénovej štruktúry tak, že najprv odlúpli vrstvy grafénu z bloku grafitu a potom použili optické nástroje na identifikáciu päťvrstvových vločiek v odstupňovanej konfigurácii. Potom vytlačili grafénový plátok na plátok hBN a umiestnili druhý plátok hBN na vrchnú časť grafénovej štruktúry. Nakoniec na konštrukciu pripevnili elektródy a umiestnili ju do mrazničky, potom ju umiestnili do tesnej blízkosti Absolútna nula.

Keď aplikovali prúd na materiál a zmerali výstup napätia, začali vidieť znaky zlomkového náboja, kde sa napätie rovná prúdu vynásobenému zlomkovým číslom a niektorými základnými fyzikálnymi konštantami.

„V deň, keď sme ho videli, sme ho najprv nespoznali,“ hovorí prvý autor Lu. „Potom sme začali kričať, keď sme si uvedomili, že je to naozaj veľká vec. Bol to úplne prekvapivý moment.“

„Toto boli pravdepodobne prvé seriózne vzorky, ktoré sme vložili do novej chladničky,“ dodáva spoluprvý autor Hahn. Keď sme sa upokojili, pozreli sme sa na detaily, aby sme sa uistili, že to, čo vidíme, je skutočné.“

S ďalšou analýzou tím potvrdil, že štruktúra grafénu skutočne vykazuje čiastočný kvantový anomálny Hallov efekt. Toto je prvýkrát, čo sa tento efekt ukázal v graféne.

„Grafén by mohol byť aj supravodič,“ hovorí Gu. „Takže môžete mať dva úplne odlišné efekty v rovnakom materiáli, vedľa seba. Ak použijete grafén na rozhovor s grafénom, vyhnete sa mnohým nežiaducim efektom, keď grafén spojíte s inými materiálmi.“

V súčasnosti tím pokračuje v skúmaní viacvrstvového grafénu pre ďalšie vzácne elektronické stavy.

„Ponoríme sa do toho, aby sme preskúmali mnohé základné fyzikálne nápady a aplikácie,“ hovorí. „Vieme, že toho bude ešte viac.“

Odkaz: „Čiastočný kvantový anomálny Hallov efekt vo viacvrstvovom graféne“ od Zhengguang Lu, Tonghang Han, Yuxuan Yao, Aidan P. Reddy, Jixiang Yang, Junseok Seo, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Liang Fu a Long Ju, 21. februára 2024, prírody.
doi: 10.1038/s41586-023-07010-7

Tento výskum je čiastočne podporovaný Sloan Foundation a National Science Foundation.