Nový průlom v grafenu z MIT utváří budoucnost kvantových počítačů

Pozorován podivný stav elektroniky Massachusetts Institute of Technology Fyzici mohou umožnit výkonnější formy… Kvantitativní statistika.

Elektron je základní jednotkou elektřiny, protože nese jediný záporný náboj. To jsme se učili ve fyzice na střední škole a je tomu tak v drtivé většině ve většině předmětů v přírodě.

Ale ve velmi zvláštních stavech hmoty se elektrony mohou rozdělit na části svého celku. Tento jev, známý jako „částečný náboj“, je extrémně vzácný, a pokud jej lze zachytit a ovládat, exotický elektronický stav by mohl pomoci vybudovat flexibilní kvantové počítače odolné proti chybám.

Dosud byl tento efekt, známý fyzikům jako „frakční kvantový Hallův efekt“, pozorován mnohokrát, většinou pod velmi vysokými a pečlivě udržovanými magnetickými poli. Teprve nedávno vědci objevili efekt v materiálu, který nevyžaduje tak silnou magnetickou manipulaci.

Nyní fyzici z MIT pozorovali nepolapitelný efekt částečného náboje, tentokrát v jednodušším materiálu: v pěti vrstvách… Grafen – že kukuřice– Tenká vrstva uhlíku pochází z grafitu a obyčejného olova. O svých zjištěních informovali 21. února v časopise Příroda.

Zjistili, že když je pět listů grafenu naskládáno jako příčky žebříku, výsledná struktura ze své podstaty poskytuje správné podmínky pro průchod elektronů jako součásti jejich celkového náboje, aniž by bylo potřeba jakékoli vnější magnetické pole.

Výsledky jsou prvním důkazem „částečného kvantového anomálního Hallova jevu“ („anomální“ označuje nepřítomnost magnetického pole) v krystalickém grafenu, materiálu, u kterého fyzici neočekávali, že bude vykazovat tento efekt.

„Tento pětivrstvý grafen je materiálový systém, ve kterém dochází k mnoha dobrým překvapením,“ říká autor studie Long Ju, odborný asistent fyziky na MIT. „Frakční náboj je velmi zvláštní a nyní můžeme tohoto efektu dosáhnout pomocí mnohem jednoduššího systému a bez magnetického pole. To samo o sobě je důležité pro fundamentální fyziku. Mohlo by to otevřít možnost typu kvantového počítání, který je robustnější.“ proti rušení.“

Mezi spoluautory na MIT patří hlavní autor Zhengguang Lu, Tonghang Han, Yuxuan Yao, Aidan Reddy, Jixiang Yang, Junseok Seo a Liang Fu spolu s Kenji Watanabe a Takashi Taniguchi z National Institute of Materials Science v Japonsku.

Zvláštní země

Částečný kvantový Hallův jev je příkladem podivných jevů, které mohou nastat, když částice přejdou z chování jako jednotlivých jednotek na společné chování jako celek. Toto kolektivní „koherentní“ chování se objevuje ve zvláštních případech, například když jsou elektrony zpomaleny ze své normálně frenetické rychlosti na plazení, které umožňuje molekulám vnímat se navzájem a interagovat. Tyto interakce mohou produkovat vzácné elektronické stavy, jako je nekonvenční štěpení elektronového náboje.

V roce 1982 vědci objevili částečný kvantový Hallův jev v heterostrukturách arsenidu galia, ve kterých je plyn elektronů uzavřený ve dvourozměrné rovině držen pod vysokými magnetickými poli. Tento objev později vedl k tomu, že skupina obdržela Nobelovu cenu za fyziku.

„[The discovery] „Byl to velmi velký problém, protože interakce těchto nabíjecích jednotek způsobem, který poskytoval něco jako zlomkový náboj, byla velmi zvláštní,“ říká Joe. „V té době neexistovaly žádné teoretické předpovědi a experimenty všechny překvapily.“

Tito výzkumníci dosáhli svých průkopnických výsledků použitím magnetických polí ke zpomalení elektronů materiálu natolik, aby mohly interagovat. Pole, se kterými pracovali, byla asi 10krát silnější než ta, která normálně pohánějí MRI přístroj.

V srpnu 2023 vědci v University of Washington Oznámil první důkazy o existenci částečného náboje bez magnetického pole. Pozorovali tuto „anomální“ verzi efektu ve zkrouceném polovodiči zvaném ditellurid molybdenu. Skupina připravila materiál se specifickou konfigurací, o které teoretici předpovídali, že poskytne materiálu inherentní magnetické pole, dostačující na to, aby povzbudilo elektrony, aby se oddělily bez jakékoli vnější magnetické kontroly.

Výsledek „bez magnetu“ otevřel slibnou cestu k topologickému kvantovému počítání – bezpečnější formě kvantového počítání, kde další složka topologie (vlastnost, která zůstává nezměněna tváří v tvář zkreslení nebo slabému narušení) poskytuje dodatečnou ochranu qubitu. při provádění výpočtu. Toto schéma výpočtu je založeno na kombinaci částečného kvantového Hallova jevu a supravodivosti. Bylo téměř nemožné si to uvědomit: člověk potřebuje silné magnetické pole, aby získal částečný náboj, zatímco stejné magnetické pole by obvykle zabilo supravodič. V tomto případě by zlomkové náboje byly qubit (základní jednotka kvantového počítače).

Dělat kroky

Ve stejném měsíci Gu a jeho tým také náhodou zaznamenali známky anomálního částečného náboje v grafenu, materiálu, u kterého se neočekávalo, že bude vykazovat takový účinek.

Guova skupina zkoumala elektronické chování v grafenu, který sám o sobě prokázal výjimečné vlastnosti. Nedávno Guova skupina zkoumala pětivrstvý grafen, strukturu složenou z pěti grafenových listů, z nichž každý je naskládán mírně od sebe jako příčky žebříku. Tato pětiúhelníková grafenová struktura je zapuštěna v grafitu a lze ji získat exfoliací pomocí skotské pásky. Když se umístí do mrazáku při velmi nízkých teplotách, elektrony struktury se zpomalí, aby se plazily a reagují způsobem, jakým by normálně při pohybu při vyšších teplotách nereagovaly.

Ve své nové práci výzkumníci provedli některé výpočty a zjistili, že elektrony by mohly navzájem silněji interagovat, pokud by struktura pětiúhelníkové vrstvy byla zarovnána s hexagonálním nitridem boru (hBN) – materiálem s atomovou strukturou podobnou té grafenu, ale s trochu jinými rozměry. V kombinaci by tyto dva materiály měly vytvořit supermřížku, složitou atomovou strukturu podobnou lešení, která může zpomalit pohyb elektronů způsoby, které napodobují magnetické pole.

„Udělali jsme tyto výpočty a pak jsme si řekli: ‚Pojďme na to‘,“ říká Joe, který náhodou loni v létě nainstaloval do své laboratoře na MIT novou diluční chladničku, kterou tým plánoval použít k chlazení materiálů na extrémně nízkou úroveň. teploty. Elektronické chování.

Vědci vyrobili dva vzorky hybridní grafenové struktury tak, že nejprve odloupli vrstvy grafenu z bloku grafitu a poté pomocí optických nástrojů identifikovali pětivrstvé vločky v odstupňované konfiguraci. Poté vytiskli grafenový plátek na hBN plátek a umístili druhý hBN plátek na horní část grafenové struktury. Nakonec ke konstrukci připevnili elektrody a umístili ji do mrazáku, poté ji umístili do těsné blízkosti Absolutní nula.

Když použili proud na materiál a změřili výstupní napětí, začali vidět známky zlomkového náboje, kde se napětí rovná proudu vynásobenému zlomkovým číslem a některými základními fyzikálními konstantami.

„V den, kdy jsme ho viděli, jsme ho nejprve nepoznali,“ říká první autor Lu. „Pak jsme začali křičet, když jsme si uvědomili, že jde o opravdu velký problém. Byl to naprosto překvapivý okamžik.“

„Byly to pravděpodobně první seriózní vzorky, které jsme vložili do nové lednice,“ dodává spoluautor Hahn. Jakmile jsme se uklidnili, podívali jsme se do detailů, abychom se ujistili, že to, co vidíme, je skutečné.“

Další analýzou tým potvrdil, že grafenová struktura skutečně vykazovala částečný kvantový anomální Hallův efekt. Je to poprvé, co byl tento efekt prokázán u grafenu.

„Grafen by mohl být také supravodič,“ říká Gu. „Takže můžete mít dva zcela odlišné efekty ve stejném materiálu, vedle sebe. Pokud použijete grafen k rozhovoru s grafenem, vyhnete se mnoha nežádoucím efektům, když spojíte grafen s jinými materiály.“

V současné době tým pokračuje ve zkoumání vícevrstvého grafenu pro další vzácné elektronické stavy.

„Ponoříme se do toho, abychom prozkoumali mnoho základních fyzikálních myšlenek a aplikací,“ říká. „Víme, že toho bude ještě víc.“

Odkaz: „Parciální kvantový anomální Hallův efekt ve vícevrstvém grafenu“ od Zhengguang Lu, Tonghang Han, Yuxuan Yao, Aidan P. Reddy, Jixiang Yang, Junseok Seo, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Liang Fu a Long Ju, 21. února 2024, Příroda.
doi: 10.1038/s41586-023-07010-7

Tento výzkum je částečně podporován Sloan Foundation a National Science Foundation.