Noua descoperire a grafenului de la MIT modelează viitorul calculului cuantic

S-a observat o stare electronică ciudată Institutul de tehnologie din Massachusetts Fizicienii pot activa forme mai puternice de Statistici cantitative.

Electronul este unitatea de bază a electricității, deoarece poartă o singură sarcină negativă. Aceasta este ceea ce am învățat la fizica din liceu, iar acest lucru este în mare măsură covârșitor la majoritatea disciplinelor din natură.

Dar în stări foarte speciale ale materiei, electronii se pot împărți în părți din întregul lor total. Acest fenomen, cunoscut sub numele de „încărcare parțială”, este extrem de rar, iar dacă poate fi prins și controlat, starea electronică exotică ar putea ajuta la construirea de computere cuantice flexibile, tolerante la erori.

Până acum, acest efect, cunoscut de fizicieni ca „efectul Hall cuantic fracțional”, a fost observat de multe ori, mai ales sub câmpuri magnetice foarte mari și atent întreținute. Doar recent oamenii de știință au descoperit efectul într-un material care nu necesită o manipulare magnetică atât de puternică.

Acum, fizicienii de la MIT au observat efectul evaziv al sarcinii parțiale, de data aceasta într-un material mai simplu: cinci straturi de… Grafen – acea porumb– Un strat subțire de carbon provine din grafit și plumb obișnuit. Ei și-au raportat descoperirile pe 21 februarie în jurnal natură.

Poza de echipa. De la stânga la dreapta: Long Ju, cercetătorul postdoctoral Zhengguang Lu, studentul de licență în vizită Yuxuan Yao, studentul absolvent Tonghang Huang. Credit: Jixiang Yang

Ei au descoperit că atunci când cinci foi de grafen sunt stivuite ca treptele unei scări, structura rezultată oferă în mod inerent condițiile potrivite pentru ca electronii să treacă ca părți din sarcina lor totală, fără a fi nevoie de niciun câmp magnetic extern.

Rezultatele sunt primele dovezi ale unui „efect Hall anomal cuantic parțial” („anomal” se referă la absența unui câmp magnetic) în grafenul cristalin, un material la care fizicienii nu se așteptau să prezinte acest efect.

„Acest grafen cu cinci straturi este un sistem material în care apar multe surprize bune”, spune autorul studiului Long Ju, profesor asistent de fizică la MIT. „Încărcarea parțială este foarte ciudată, iar acum putem obține acest efect folosind un sistem mult mai simplu și fără un câmp magnetic. Acest lucru în sine este important pentru fizica fundamentală. Ar putea deschide posibilitatea unui tip de calcul cuantic care este mai robust. împotriva tulburărilor”.

Co-autorii de la MIT includ autorul principal Zhengguang Lu, Tonghang Han, Yuxuan Yao, Aidan Reddy, Jixiang Yang, Junseok Seo și Liang Fu, împreună cu Kenji Watanabe și Takashi Taniguchi de la Institutul Național de Știința Materialelor din Japonia.

Ciudată țară

Efectul Hall cuantic parțial este un exemplu al fenomenelor ciudate care pot apărea atunci când particulele trec de la a se comporta ca unități individuale la a se comporta împreună ca un întreg. Acest comportament „coerent” colectiv apare în cazuri speciale, de exemplu atunci când electronii sunt încetiniți de la viteza lor normală frenetică la un târâș care permite moleculelor să se simtă reciproc și să interacționeze. Aceste interacțiuni pot produce stări electronice rare, cum ar fi divizarea neconvențională a sarcinii electronilor.

În 1982, oamenii de știință au descoperit efectul Hall cuantic parțial în heterostructurile de arseniură de galiu, în care un gaz de electroni limitat într-un plan bidimensional este ținut sub câmpuri magnetice înalte. Această descoperire a dus mai târziu la primirea premiului Nobel pentru fizică.

„[The discovery] „Aceasta a fost o problemă foarte mare, deoarece interacțiunea acestor unități de încărcare într-un mod care a dat ceva ca o încărcare fracțională a fost foarte ciudată”, spune Joe. „La acel moment, nu existau predicții teoretice, iar experimentele au surprins pe toată lumea.”

Acești cercetători și-au obținut rezultatele de pionierat folosind câmpuri magnetice pentru a încetini suficient electronii unui material pentru ca ei să interacționeze. Câmpurile cu care au lucrat au fost de aproximativ 10 ori mai puternice decât cele care alimentează în mod normal un aparat RMN.

În august 2023, oamenii de știință de la Universitatea din Washington El a raportat primele dovezi ale existenței unei sarcini parțiale fără câmp magnetic. Ei au observat această versiune „anomală” a efectului, într-un semiconductor răsucit numit diteluridă de molibden. Grupul a pregătit materialul cu o configurație specifică, despre care teoreticienii au prezis că ar da materialului un câmp magnetic inerent, suficient pentru a încuraja electronii să se despartă fără niciun control magnetic extern.

Rezultatul „fără magnet” a deschis o cale promițătoare către calculul cuantic topologic – o formă mai sigură de calcul cuantic, unde componenta suplimentară a topologiei (o proprietate care rămâne neschimbată în fața distorsiunii sau a perturbărilor slabe) oferă protecție suplimentară pentru qubit. la efectuarea unui calcul. Această schemă de calcul se bazează pe o combinație de efect Hall cuantic parțial și supraconductivitate. Era aproape imposibil să realizezi acest lucru: este nevoie de un câmp magnetic puternic pentru a obține o încărcare parțială, în timp ce același câmp magnetic ar ucide de obicei un supraconductor. În acest caz, sarcinile fracționale ar fi un qubit (unitatea de bază a unui computer cuantic).

Făcând pași

În aceeași lună, Gu și echipa sa au observat, de asemenea, semne ale unei încărcări parțiale anormale în grafen, un material despre care nu se aștepta să prezinte un astfel de efect.

Grupul lui Gu a explorat comportamentul electronic în grafen, care însuși a demonstrat proprietăți excepționale. Recent, grupul lui Gu a investigat grafenul pentastrat, o structură alcătuită din cinci foi de grafen, fiecare stivuită ușor separat de celelalte, ca treptele unei scări. Această structură pentagonală de grafen este încorporată în grafit și poate fi obținută prin exfoliere cu bandă Scotch. Când sunt plasați într-un congelator la temperaturi foarte scăzute, electronii structurii încetinesc până la un târâș și reacționează în moduri în care în mod normal nu ar face-o atunci când se deplasează la temperaturi mai ridicate.

În noua lor lucrare, cercetătorii au efectuat câteva calcule și au descoperit că electronii ar putea interacționa mai puternic între ei dacă structura stratului pentagonal ar fi aliniată cu nitrură de bor hexagonală (hBN) – un material cu o structură atomică similară cu cea a grafenului, dar cu dimensiuni usor diferite. Combinate, cele două materiale ar trebui să producă o superlatice, o structură atomică complexă asemănătoare schelei care poate încetini mișcarea electronilor în moduri care imită un câmp magnetic.

„Am făcut aceste calcule și apoi ne-am gândit „Hai să facem asta”, spune Joe, care se întâmpla să fi instalat un nou frigider cu diluare în laboratorul său de la MIT vara trecută, pe care echipa plănuia să-l folosească pentru a răci materialele la un nivel extrem de scăzut. temperaturile. Comportament electronic.

Cercetătorii au fabricat două mostre ale structurii hibride de grafen, îndepărtând mai întâi straturi de grafen dintr-un bloc de grafit, apoi folosind instrumente optice pentru a identifica fulgii cu cinci straturi într-o configurație gradată. Apoi au ștanțat placheta de grafen pe o napolitană hBN și au plasat o a doua napolitană hBN deasupra structurii de grafen. În cele din urmă, au atașat electrozi la structură și au plasat-o într-un congelator, apoi au plasat-o în imediata apropiere. Zero absolut.

Când au aplicat un curent materialului și au măsurat tensiunea de ieșire, au început să vadă semnături de sarcină fracțională, unde tensiunea este egală cu curentul înmulțit cu un număr fracționar și unele constante fizice de bază.

„În ziua în care l-am văzut, nu l-am recunoscut la început”, spune primul autor Lu. „Apoi am început să țipăm când ne-am dat seama că este o afacere foarte mare. A fost un moment complet surprinzător.”

„Aceste au fost probabil primele mostre serioase pe care le-am pus în noul frigider”, adaugă co-primul autor Hahn. Odată ce ne-am calmat, ne-am uitat în detalii pentru a ne asigura că ceea ce vedeam era real.”

Cu analize suplimentare, echipa a confirmat că structura grafenului a prezentat într-adevăr un efect Hall anomal cuantic parțial. Este pentru prima dată când acest efect este arătat în grafen.

„Grafenul ar putea fi, de asemenea, un supraconductor”, spune Gu. „Deci, puteți avea două efecte complet diferite în același material, unul lângă celălalt. Dacă folosiți grafenul pentru a vorbi cu grafenul, se evită o mulțime de efecte nedorite atunci când legați grafenul de alte materiale.”

În prezent, echipa continuă să exploreze grafenul multistrat pentru alte stări electronice rare.

„Ne scufundăm pentru a explora multe idei și aplicații fundamentale ale fizicii”, spune el. „Știm că vor urma mai multe.”

Referință: „Efectul Hall anomal cuantic parțial în grafenul multistrat” de Zhengguang Lu, Tonghang Han, Yuxuan Yao, Aidan P. Reddy, Jixiang Yang, Junseok Seo, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Liang Fu și Long Ju, 21 februarie 2024, natură.
doi: 10.1038/s41586-023-07010-7

Această cercetare este susținută parțial de Fundația Sloan și Fundația Națională pentru Știință.