Новый прорыв в области графена от Массачусетского технологического института формирует будущее квантовых вычислений

Частичный квантовый эффект Холла обычно наблюдался в очень сильных магнитных полях, но физики Массачусетского технологического института теперь наблюдали его в простом графене. В пятислойной сверхрешетке графен/гексагональный нитрид бора (hBN) электроны (синий шар) сильно взаимодействуют друг с другом и ведут себя так, как если бы они были разделены на дробные заряды. Фото: Сэмпсон Уилкокс, RLE

Замечено странное состояние электроники Массачусетский Институт Технологий Физики могут реализовать более мощные формы Количественная статистика.

Электрон является основной единицей электричества, поскольку он несет один отрицательный заряд. Это то, что мы изучали в средней школе по физике, и это в подавляющем большинстве случаев относится к большинству предметов в природе.

Но в совершенно особых состояниях материи электроны могут расщепляться на части. Это явление, известное как «частичный заряд», крайне редкое, и если его удастся поймать и контролировать, экзотическое электронное состояние может помочь в создании гибких, отказоустойчивых квантовых компьютеров.

До сих пор этот эффект, известный физикам как «дробный квантовый эффект Холла», наблюдался много раз, в основном в очень сильных и тщательно поддерживаемых магнитных полях. Лишь недавно ученые обнаружили этот эффект в материале, не требующем таких сильных магнитных манипуляций.

Теперь физики из Массачусетского технологического института наблюдали неуловимый эффект частичного заряда, на этот раз в более простом материале: пяти слоях… Графен — что кукуруза— Тонкий слой углерода образуется из графита и обычного свинца. О своих выводах они сообщили 21 февраля в журнале. природа.

Фото команды. Слева направо: Лун Цзюй, научный сотрудник Чжэнгуан Лу, студентка бакалавриата Юйсюань Яо, аспирант Тунхан Хуан. 1 кредит

Они обнаружили, что когда пять листов графена сложены друг на друга, как ступеньки лестницы, полученная структура по своей сути обеспечивает правильные условия для прохождения электронов как части их общего заряда без необходимости какого-либо внешнего магнитного поля.

Полученные результаты являются первым свидетельством «частичного квантового аномального эффекта Холла» («аномальный» означает отсутствие магнитного поля) в кристаллическом графене, материале, проявления которого физики не ожидали.

«Этот пятислойный графен представляет собой материальную систему, в которой происходит много хороших сюрпризов», — говорит автор исследования Лонг Цзюй, доцент кафедры физики Массачусетского технологического института. «Дробный заряд очень странный, и теперь мы можем достичь этого эффекта, используя гораздо более простую систему и без магнитного поля. Это само по себе важно для фундаментальной физики. Это может открыть возможность более надежного типа квантовых вычислений. против беспорядков».

Среди соавторов в Массачусетском технологическом институте — ведущий автор Чжэнгуан Лу, Тонхан Хан, Юсюань Яо, Эйдан Редди, Цзисян Ян, Джунсок Со и Лян Фу, а также Кэндзи Ватанабэ и Такаши Танигучи из Национального института материаловедения в Японии.

Странная страна

Частичный квантовый эффект Холла — пример странного явления, которое может возникнуть, когда частицы переходят от поведения отдельных единиц к поведению вместе как единое целое. Такое коллективное «когерентное» поведение проявляется в особых случаях, например, когда электроны замедляются от своей обычно бешеной скорости до медленного движения, которое позволяет молекулам чувствовать друг друга и взаимодействовать. Эти взаимодействия могут создавать редкие электронные состояния, такие как нетрадиционное расщепление электронного заряда.

В 1982 году ученые обнаружили частичный квантовый эффект Холла в гетероструктурах арсенида галлия, в которых газ электронов, удерживаемый в двумерной плоскости, удерживается под сильными магнитными полями. Позже это открытие привело к тому, что группа получила Нобелевскую премию по физике.

«[The discovery] «Это была очень большая проблема, потому что взаимодействие этих единиц заряда, дающее что-то вроде дробного заряда, было очень странным», — говорит Джо. «В то время не было никаких теоретических предсказаний, а эксперименты всех удивили».

Эти исследователи достигли своих новаторских результатов, используя магнитные поля для замедления электронов материала настолько, чтобы они могли взаимодействовать. Поля, с которыми они работали, были примерно в 10 раз сильнее тех, которые обычно приводят в действие аппарат МРТ.

В августе 2023 года ученые из Вашингтонский университет Он сообщил о первых доказательствах существования частичного заряда без магнитного поля. Они наблюдали эту «аномальную» версию эффекта в скрученном полупроводнике под названием дителлурид молибдена. Группа подготовила материал с определенной конфигурацией, которая, по прогнозам теоретиков, придаст материалу собственное магнитное поле, достаточное для того, чтобы побудить электроны расщепляться без какого-либо внешнего магнитного контроля.

Результат «отсутствия магнита» открыл многообещающий путь к топологическим квантовым вычислениям – более безопасной форме квантовых вычислений, где дополнительный компонент топологии (свойство, которое остается неизменным перед лицом искажений или слабых возмущений) обеспечивает дополнительную защиту кубита. при выполнении расчета. Эта схема расчета основана на сочетании парциального квантового эффекта Холла и сверхпроводимости. Реализовать это было практически невозможно: чтобы получить частичный заряд, нужно сильное магнитное поле, тогда как то же самое магнитное поле обычно убивает сверхпроводник. В этом случае дробными зарядами будет кубит (базовая единица квантового компьютера).

Делаем шаги

В том же месяце Гу и его команда также заметили признаки аномального частичного заряда в графене — материале, от которого не ожидалось такого эффекта.

Группа Гу исследовала электронное поведение графена, который сам по себе продемонстрировал исключительные свойства. Недавно группа Гу исследовала пятислойный графен — структуру, состоящую из пяти листов графена, каждый из которых расположен немного отдельно от других, как ступеньки лестницы. Эта пятиугольная графеновая структура внедрена в графит, и ее можно получить, отклеив скотчем. При помещении в холодильник при очень низких температурах электроны структуры замедляются и реагируют так, как они обычно не реагируют при более высоких температурах.

В своей новой работе исследователи провели некоторые расчеты и обнаружили, что электроны могли бы сильнее взаимодействовать друг с другом, если бы структура пятиугольного слоя была выровнена гексагональным нитридом бора (hBN) — материалом с атомной структурой, похожей на структуру графена, но с немного другие размеры. В сочетании эти два материала должны создать сверхрешетку, сложную атомную структуру, похожую на каркас, которая может замедлять движение электронов способами, имитирующими магнитное поле.

«Мы провели эти расчеты, а затем подумали: «Давайте сделаем это», — говорит Джо, который прошлым летом установил в своей лаборатории в Массачусетском технологическом институте новый холодильник для разбавления, который команда планировала использовать для охлаждения материалов до чрезвычайно низких температур. температуры. Электронное поведение.

Исследователи изготовили два образца гибридной структуры графена, сначала отделив слои графена от блока графита, а затем с помощью оптических инструментов идентифицировали пятислойные чешуйки в градуированной конфигурации. Затем они напечатали графеновую пластину на пластину hBN и поместили вторую пластину hBN поверх графеновой структуры. Наконец, они прикрепили к конструкции электроды и поместили ее в морозильную камеру, а затем разместили в непосредственной близости. Абсолютный ноль.

Когда они подали ток на материал и измерили выходное напряжение, они начали видеть признаки дробного заряда, где напряжение равно току, умноженному на дробное число, и некоторым основным физическим константам.

«В тот день, когда мы его увидели, мы сначала не узнали его», — говорит первый автор Лу. «Затем мы начали кричать, когда поняли, что это действительно большое событие. Это был совершенно неожиданный момент».

«Возможно, это были первые серьезные образцы, которые мы поместили в новый холодильник», — добавляет соавтор Хан. Как только мы успокоились, мы изучили детали, чтобы убедиться, что то, что мы видим, было реальным».

В ходе дальнейшего анализа команда подтвердила, что структура графена действительно демонстрирует частичный квантовый аномальный эффект Холла. Впервые подобный эффект был продемонстрирован в графене.

«Графен также может быть сверхпроводником», — говорит Гу. «Таким образом, вы можете получить два совершенно разных эффекта в одном и том же материале, рядом друг с другом. Если вы используете графен для общения с графеном, это позволяет избежать множества нежелательных эффектов при соединении графена с другими материалами».

В настоящее время команда продолжает исследовать многослойный графен на предмет других редких электронных состояний.

«Мы погружаемся в исследование многих фундаментальных физических идей и приложений», — говорит он. «Мы знаем, что будет еще больше».

Ссылка: «Частично квантовый аномальный эффект Холла в многослойном графене», Чжэнгуан Лу, Тунхан Хан, Юсюань Яо, Эйдан П. Редди, Цзисян Ян, Джунсок Со, Кенджи Ватанабэ, Такаши Танигучи, Лян Фу и Лонг Цзюй, 21 февраля 2024 г., природа.
doi: 10.1038/s41586-023-07010-7

Это исследование частично поддерживается Фондом Слоана и Национальным научным фондом.