Pastebėta keista elektroninė būklė Masačiusetso Technologijų Institutas Fizikai gali sukurti galingesnes… Kiekybinė statistika.

Elektronas yra pagrindinis elektros vienetas, nes jis turi vieną neigiamą krūvį. To mes išmokome vidurinės mokyklos fizikoje, ir taip yra daugumoje gamtos dalykų.

Tačiau labai ypatingose ​​materijos būsenose elektronai gali suskilti į viso jų kiekio dalis. Šis reiškinys, žinomas kaip „dalinis įkrovimas“, yra labai retas, o jei jį galima sulaikyti ir valdyti, egzotiška elektroninė būsena gali padėti sukurti lanksčius, gedimams atsparius kvantinius kompiuterius.

Iki šiol šis efektas, fizikų žinomas kaip „dalinis kvantinis Holo efektas“, buvo pastebėtas daug kartų, daugiausia esant labai dideliems ir kruopščiai prižiūrimiems magnetiniams laukams. Tik neseniai mokslininkai atrado poveikį medžiagoje, kuriai nereikia tokio stipraus magnetinio manipuliavimo.

Dabar fizikai iš MIT pastebėjo sunkiai suvokiamą dalinio įkrovimo efektą, šį kartą paprastesnėje medžiagoje: penkiuose… Grafenas – tai kukurūzai– Plonas anglies sluoksnis susidaro iš grafito ir paprasto švino. Jie paskelbė savo išvadas vasario 21 d. žurnale gamta.

Komandos nuotrauka. Iš kairės į dešinę: Long Ju, doktorantas Zhengguang Lu, besilankantis bakalauro studentas Yuxuan Yao, magistrantas Tonghang Huang. Kreditas: Jixiang Yang

Jie išsiaiškino, kad kai penki grafeno lakštai yra sukrauti kaip kopėčių laipteliai, susidariusi struktūra iš prigimties sudaro tinkamas sąlygas elektronams prasiskverbti kaip jų bendro krūvio daliai, nereikalaujant jokio išorinio magnetinio lauko.

Rezultatai yra pirmasis „dalinio kvantinio anomalaus Holo efekto“ („anomalaus“ reiškia magnetinio lauko nebuvimą) įrodymas kristaliniame grafene – medžiagoje, kurios fizikai nesitikėjo turėti tokio poveikio.

„Šis penkių sluoksnių grafenas yra materiali sistema, kurioje įvyksta daug gerų netikėtumų“, – sako tyrimo autorius Long Ju, MIT fizikos docentas. „Trupinis krūvis yra labai keistas, o dabar mes galime pasiekti šį efektą naudodami daug paprastesnę sistemą ir be magnetinio lauko. Tai savaime svarbu fundamentaliajai fizikai. Tai gali atverti galimybę sukurti patikimesnį kvantinį skaičiavimą. prieš trikdymą“.

Tarp MIT bendraautorių yra pagrindinis autorius Zhengguang Lu, Tonghang Han, Yuxuan Yao, Aidan Reddy, Jixiang Yang, Junseok Seo ir Liang Fu, taip pat Kenji Watanabe ir Takashi Taniguchi Nacionaliniame medžiagų mokslo institute Japonijoje.

Keista šalis

Dalinis kvantinis Holo efektas yra keistų reiškinių, galinčių atsirasti, kai dalelės iš atskirų vienetų elgsenos pereina prie elgesio kartu kaip visuma, pavyzdys. Šis kolektyvinis „nuoseklus“ elgesys atsiranda ypatingais atvejais, pavyzdžiui, kai elektronai sulėtėja nuo įprasto pašėlusio greičio iki šliaužio, leidžiančio molekulėms pajusti viena kitą ir sąveikauti. Šios sąveikos gali sukelti retas elektronines būsenas, tokias kaip netradicinis elektronų krūvio padalijimas.

1982 m. mokslininkai atrado dalinį kvantinį Holo efektą galio arsenido heterostruktūrose, kuriose dvimatėje plokštumoje ribojamos elektronų dujos laikomos dideliais magnetiniais laukais. Vėliau šis atradimas paskatino grupę gauti Nobelio fizikos premiją.

“[The discovery] „Tai buvo labai didelė problema, nes šių įkrovimo vienetų sąveika tokiu būdu, kuris davė kažką panašaus į dalinį krūvį, buvo labai keista“, – sako Joe. „Tuo metu dar nebuvo jokių teorinių prognozių, o eksperimentai nustebino visus.

Šie tyrėjai pasiekė novatoriškų rezultatų naudodami magnetinius laukus, kad sulėtintų medžiagos elektronus, kad jie galėtų sąveikauti. Laukai, su kuriais jie dirbo, buvo maždaug 10 kartų stipresni nei tie, kurie paprastai maitina MRT aparatą.

2023 metų rugpjūtį mokslininkai val Vašingtono universitetas Jis pranešė apie pirmuosius įrodymus, kad egzistuoja dalinis krūvis be magnetinio lauko. Jie pastebėjo šią „anomalią“ efekto versiją susuktame puslaidininkyje, vadinamame molibdeno diteluridu. Grupė paruošė medžiagą su specifine konfigūracija, kuri, kaip prognozavo teoretikai, suteiks medžiagai būdingą magnetinį lauką, kurio pakaktų paskatinti elektronus atsiskirti be jokios išorinės magnetinės kontrolės.

Rezultatas „be magneto“ atvėrė daug žadantį kelią į topologinį kvantinį skaičiavimą – saugesnę kvantinio skaičiavimo formą, kai papildomas topologijos komponentas (savybė, kuri išlieka nepakitusi esant iškraipymui ar silpniems trikdžiams) suteikia papildomą kubito apsaugą. atliekant skaičiavimą. Ši skaičiavimo schema pagrįsta dalinio kvantinio Holo efekto ir superlaidumo deriniu. Tai buvo beveik neįmanoma suvokti: norint gauti dalinį krūvį reikia stipraus magnetinio lauko, o tas pats magnetinis laukas paprastai nužudytų superlaidininką. Šiuo atveju trupmeniniai krūviai būtų kubitas (pagrindinis kvantinio kompiuterio vienetas).

Žingsnių darymas

Tą patį mėnesį Gu ir jo komanda taip pat pastebėjo anomalaus dalinio grafeno įkrovimo požymius – medžiagoje, kuri neturėtų turėti tokio poveikio.

Gu grupė tyrinėjo elektroninį grafeno elgesį, kuris pats parodė išskirtines savybes. Neseniai Gu grupė ištyrė penkiasluoksnį grafeną – konstrukciją, sudarytą iš penkių grafeno lakštų, kurių kiekvienas buvo šiek tiek atskirtas nuo kitų, kaip kopėčių laipteliai. Ši penkiakampė grafeno struktūra yra įterpta į grafitą ir gali būti išgaunama šveičiant juosta. Įdėjus į šaldiklį esant labai žemai temperatūrai, konstrukcijos elektronai sulėtėja iki šliaužiojimo ir reaguoja taip, kaip paprastai nereaguotų klajodami aukštesnėje temperatūroje.

Savo naujame darbe mokslininkai atliko keletą skaičiavimų ir nustatė, kad elektronai gali sąveikauti vienas su kitu stipriau, jei penkiakampio sluoksnio struktūra būtų suderinta su šešiakampiu boro nitridu (hBN) – medžiaga, kurios atominė struktūra panaši į grafeno struktūrą, tačiau su šiek tiek skirtingais matmenimis. Sujungus dvi medžiagas, turėtų susidaryti supergardelė – sudėtinga į pastolius panaši atominė struktūra, kuri gali sulėtinti elektronų judėjimą magnetinį lauką imituojančiais būdais.

„Atlikome šiuos skaičiavimus, o paskui pagalvojome: „Padarykime tai“, – sako Joe, kuris praėjusią vasarą savo laboratorijoje MIT įrengė naują skiedimo šaldytuvą, kurį komanda planavo panaudoti medžiagoms atvėsinti iki itin žemo lygio. temperatūros. Elektroninis elgesys.

Tyrėjai pagamino du hibridinės grafeno struktūros pavyzdžius, pirmiausia nulupdami grafeno sluoksnius nuo grafito bloko, tada naudodami optinius įrankius penkių sluoksnių dribsniams identifikuoti rūšiuotoje konfigūracijoje. Tada jie antspaudavo grafeno plokštelę ant hBN plokštelės ir uždėjo antrą hBN plokštelę ant grafeno struktūros. Galiausiai jie pritvirtino elektrodus prie konstrukcijos ir įdėjo į šaldiklį, o tada padėjo jį arti Absoliutus nulis.

Kai jie panaudojo srovę medžiagai ir išmatavo išėjimo įtampą, jie pradėjo matyti trupmeninio krūvio požymius, kur įtampa lygi srovei, padaugintai iš trupmeninio skaičiaus ir kai kurių pagrindinių fizinių konstantų.

„Tą dieną, kai jį pamatėme, iš pradžių jo neatpažinome“, – sako pirmasis autorius Lu. „Tada pradėjome rėkti, kai supratome, kad tai tikrai didelis dalykas. Tai buvo visiškai stebina akimirka.”

„Tai tikriausiai buvo pirmieji rimti pavyzdžiai, kuriuos įdėjome į naująjį šaldytuvą“, – priduria pirmasis autorius Hahnas. Kai nusiraminome, išnagrinėjome detales, kad įsitikintume, jog tai, ką matome, yra tikra.

Atlikusi tolesnę analizę, komanda patvirtino, kad grafeno struktūra iš tikrųjų turėjo dalinį kvantinį anomalinį Hall efektą. Tai pirmas kartas, kai šis poveikis buvo parodytas grafene.

„Grafenas taip pat gali būti superlaidininkas“, – sako Gu. „Taigi, toje pačioje medžiagoje, šalia vienas kito, galite turėti du visiškai skirtingus efektus. Jei grafeną naudojate kalbėdami su grafenu, grafeną sujungdami su kitomis medžiagomis išvengsite daugybės nepageidaujamų efektų.”

Šiuo metu komanda ir toliau tiria daugiasluoksnį grafeną kitoms retoms elektroninėms būsenoms.

„Mes neriame norėdami ištirti daugybę pagrindinių fizikos idėjų ir pritaikymų”, – sako jis. „Mes žinome, kad bus daugiau.”

Nuoroda: Zhengguang Lu, Tonghang Han, Yuxuan Yao, Aidan P. Reddy, Jixiang Yang, Junseok Seo, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Liang Fu ir Long Ju „Dalinis kvantinis anomalinis Holo efektas daugiasluoksniame grafene“, 2024 m. vasario 21 d. gamta.
doi: 10.1038/s41586-023-07010-7

Šį tyrimą iš dalies remia Sloano fondas ir Nacionalinis mokslo fondas.