MIT'den yeni grafen atılımı kuantum hesaplamanın geleceğini şekillendiriyor

Kısmi kuantum Hall etkisi genellikle çok yüksek manyetik alanlar altında görüldü, ancak MIT fizikçileri bunu artık basit grafende gözlemledi. Beş katmanlı bir grafen/altıgen bor nitrür (hBN) üst kafesinde, elektronlar (mavi top) birbirleriyle güçlü bir şekilde etkileşime girer ve sanki kesirli yüklere bölünmüş gibi davranırlar. Kredi bilgileri: Sampson Wilcox, RLE

Garip elektronik durum fark edildi Massachusetts Teknoloji Enstitüsü Fizikçiler daha güçlü formları mümkün kılabilir… Nicel istatistikler.

Elektron, elektriğin temel birimidir çünkü tek bir negatif yük taşır. Lise fiziğinde öğrendiğimiz şey budur ve doğadaki çoğu derste de durum çoğunlukla böyledir.

Ancak maddenin çok özel hallerinde elektronlar tüm toplamlarının parçalarına ayrılabilmektedir. “Kısmi şarj” olarak bilinen bu olay son derece nadirdir ve eğer yakalanıp kontrol edilebilirse egzotik elektronik durum, esnek, hataya dayanıklı kuantum bilgisayarların oluşturulmasına yardımcı olabilir.

Fizikçiler tarafından “kesirli kuantum Hall etkisi” olarak bilinen bu etki, bugüne kadar çoğunlukla çok yüksek ve dikkatle korunan manyetik alanlar altında birçok kez gözlemlendi. Bilim adamları bu kadar güçlü manyetik manipülasyon gerektirmeyen bir malzemedeki etkiyi ancak yakın zamanda keşfettiler.

Şimdi, MIT'den fizikçiler anlaşılması zor kısmi yük etkisini bu kez daha basit bir malzemede gözlemlediler: beş katman… Grafen – O Mısır– Grafit ve sıradan kurşundan ince bir karbon tabakası oluşur. Bulgularını 21 Şubat'ta dergide bildirdiler doğa.

Takım fotoğrafı. Soldan sağa: Long Ju, doktora sonrası araştırmacı Zhengguang Lu, lisans öğrencisi Yuxuan Yao'yu ve yüksek lisans öğrencisi Tonghang Huang'ı ziyaret ediyor. Kredi bilgileri: Jixiang Yang

Beş grafen tabakası bir merdivenin basamakları gibi istiflendiğinde ortaya çıkan yapının, herhangi bir harici manyetik alana ihtiyaç duymadan elektronların genel yüklerinin bir parçası olarak geçmesi için doğal olarak doğru koşulları sağladığını buldular.

Sonuçlar, fizikçilerin bu etkiyi göstermeyi beklemediği bir malzeme olan kristal grafendeki “kısmi kuantum anormal Hall etkisinin” (“anormal” manyetik alanın yokluğunu ifade eder) ilk kanıtıdır.

MIT'de fizik yardımcı doçenti olan çalışma yazarı Long Ju, “Bu beş katmanlı grafen, birçok güzel sürprizin meydana geldiği maddi bir sistemdir” diyor. “Kesirli yük çok garip ve artık bu etkiyi çok daha basit bir sistem kullanarak ve manyetik alan olmadan başarabiliyoruz. Bu başlı başına temel fizik için önemli. Daha sağlam bir tür kuantum hesaplamanın olasılığını açabilir.” rahatsızlığa karşı.”

MIT'deki ortak yazarlar arasında baş yazar Zhengguang Lu, Tonghang Han, Yuxuan Yao, Aidan Reddy, Jixiang Yang, Junseok Seo ve Liang Fu ile Japonya'daki Ulusal Malzeme Bilimi Enstitüsü'nden Kenji Watanabe ve Takashi Taniguchi yer alıyor.

Garip ülke

Kısmi kuantum Hall etkisi, parçacıkların tek tek birimler halinde davranmaktan bir bütün olarak birlikte davranmaya geçmesiyle ortaya çıkabilecek tuhaf olayların bir örneğidir. Bu kolektif “tutarlı” davranış, özel durumlarda ortaya çıkar; örneğin, elektronlar normalde çılgın hızlarından, moleküllerin birbirini algılamasına ve etkileşime girmesine olanak tanıyan bir ilerlemeye yavaşlatıldığında. Bu etkileşimler, elektron yükünün alışılmadık şekilde bölünmesi gibi nadir elektronik durumlar üretebilir.

1982'de bilim insanları galyum arsenit heteroyapılarında kısmi kuantum Hall etkisini keşfettiler; burada iki boyutlu bir düzlemde hapsedilmiş bir elektron gazı yüksek manyetik alanlar altında tutuluyordu. Bu keşif daha sonra grubun Nobel Fizik Ödülü'nü almasına yol açtı.

“[The discovery] Joe, “Bu çok büyük bir sorundu, çünkü bu yük birimlerinin kesirli yük gibi bir şey verecek şekilde etkileşimi çok tuhaftı” diyor. “O zamanlar teorik tahminler yoktu ve deneyler herkesi şaşırttı.”

Bu araştırmacılar öncü sonuçlarına, bir malzemenin elektronlarını etkileşime girecek kadar yavaşlatmak için manyetik alanlar kullanarak ulaştılar. Çalıştıkları alanlar normalde bir MRI makinesine güç sağlayanlardan yaklaşık 10 kat daha güçlüydü.

Ağustos 2023'te bilim insanları Washington Üniversitesi Manyetik alan olmadan kısmi yükün varlığının ilk kanıtını bildirdi. Etkinin bu “anormal” versiyonunu molibden ditelürid adı verilen bükülmüş bir yarı iletkende gözlemlediler. Grup, malzemeyi, teorisyenlerin malzemeye, herhangi bir harici manyetik kontrol olmaksızın elektronların ayrılmasını teşvik etmeye yetecek kadar doğal bir manyetik alan vereceğini öngördüğü özel bir konfigürasyonla hazırladı.

“Mıknatıs yok” sonucu, topolojik kuantum hesaplamaya umut verici bir yol açtı; topolojinin ek bileşeninin (bozulma veya zayıf bozulma karşısında değişmeden kalan bir özellik) kubit için ek koruma sağladığı daha güvenli bir kuantum hesaplama biçimi bir hesaplama yaparken. Bu hesaplama şeması kısmi kuantum Hall etkisi ve süperiletkenliğin birleşimine dayanmaktadır. Bunu gerçekleştirmek neredeyse imkansızdı: Kısmi bir yük elde etmek için güçlü bir manyetik alana ihtiyaç duyulurken, aynı manyetik alan genellikle bir süper iletkeni öldürür. Bu durumda kesirli yükler bir kübit (kuantum bilgisayarının temel birimi) olacaktır.

Adım atma

Aynı ay içinde Gu ve ekibi, böyle bir etki göstermesi beklenmeyen bir malzeme olan grafendeki anormal kısmi yükün işaretlerini de fark etti.

Gu'nun grubu, olağanüstü özellikler sergileyen grafenin elektronik davranışını araştırıyor. Son zamanlarda Gu'nun grubu, her biri bir merdivenin basamakları gibi diğerlerinden biraz uzakta istiflenmiş beş grafen tabakasından oluşan bir yapı olan beş katmanlı grafeni araştırdı. Bu beşgen grafen yapısı grafitin içine gömülüdür ve Scotch bantla eksfoliasyon yoluyla elde edilebilir. Yapının elektronları, çok düşük sıcaklıklarda dondurucuya yerleştirildiğinde yavaşlar ve daha yüksek sıcaklıklarda dolaşırken normalde yapmayacakları şekilde tepki verir.

Yeni çalışmalarında araştırmacılar bazı hesaplamalar yaptılar ve eğer beşgen katman yapısı, grafene benzer atomik yapıya sahip bir malzeme olan altıgen bor nitrür (hBN) ile hizalanırsa elektronların birbirleriyle daha güçlü etkileşime girebileceğini buldular. biraz farklı boyutlarda. Bir araya getirildiğinde, iki malzeme, elektronların hareketini manyetik alanı taklit edecek şekilde yavaşlatabilen, karmaşık bir iskele benzeri atomik yapı olan bir süper kafes üretmelidir.

Geçen yaz MIT'deki laboratuvarına yeni bir seyreltme buzdolabı kuran Joe, “Bu hesaplamaları yaptık ve sonra 'Hadi yapalım' diye düşündük” diyor ve ekip bunu malzemeleri son derece düşük sıcaklıklara kadar soğutmak için kullanmayı planlıyordu. sıcaklıklar. Elektronik davranış.

Araştırmacılar, önce bir grafit bloğundan grafen katmanlarını soyarak, ardından kademeli bir konfigürasyonda beş katmanlı pulları tanımlamak için optik araçlar kullanarak hibrit grafen yapısının iki örneğini ürettiler. Daha sonra grafen levhayı bir hBN levha üzerine damgaladılar ve grafen yapısının üstüne ikinci bir hBN levha yerleştirdiler. Son olarak yapıya elektrotlar bağlayıp dondurucuya yerleştirdiler ve daha sonra yakın bir yere yerleştirdiler. Tamamen sıfır.

Malzemeye bir akım uyguladıklarında ve voltaj çıkışını ölçtüklerinde, voltajın akımın kesirli bir sayıyla ve bazı temel fiziksel sabitlerle çarpımına eşit olduğu kesirli yükün işaretlerini görmeye başladılar.

İlk yazar Lu, “Onu gördüğümüz gün ilk başta tanıyamadık” diyor. “Sonra bunun gerçekten büyük bir olay olduğunu anladığımızda çığlık atmaya başladık. Tamamen şaşırtıcı bir andı.”

İlk yazar Hahn, “Bunlar muhtemelen yeni buzdolabına koyduğumuz ilk ciddi örneklerdi” diye ekliyor. Sakinleştikten sonra gördüğümüz şeyin gerçek olduğundan emin olmak için ayrıntılara baktık.”

Daha ileri analizlerle ekip, grafen yapısının gerçekten de kısmi bir kuantum anormal Hall etkisi sergilediğini doğruladı. Bu etki grafende ilk kez gösteriliyor.

Gu, “Grafen aynı zamanda bir süper iletken de olabilir” diyor. “Böylece aynı malzemede yan yana iki tamamen farklı etki elde edebilirsiniz. Grafen ile konuşmak için grafen kullanırsanız, grafeni diğer malzemelere bağladığınızda birçok istenmeyen etkiyi ortadan kaldırırsınız.”

Şu anda ekip diğer nadir elektronik durumlar için çok katmanlı grafeni keşfetmeye devam ediyor.

“Birçok temel fizik fikrini ve uygulamasını keşfetmeye çalışıyoruz” diyor. “Daha fazlasının geleceğini biliyoruz”

Referans: Zhengguang Lu, Tonghang Han, Yuxuan Yao, Aidan P. Reddy, Jixiang Yang, Junseok Seo, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Liang Fu ve Long Ju, 21 Şubat 2024, “Çok katmanlı grafende kısmi kuantum anormal Hall etkisi”, doğa.
doi: 10.1038/s41586-023-07010-7

Bu araştırma kısmen Sloan Vakfı ve Ulusal Bilim Vakfı tarafından desteklenmektedir.