_ Electronii devin fracții ale ei înșiși în grafenul, constată studiul

Electronul este unitatea de bază a electricității, deoarece poartă o singură sarcină negativă. Aceasta este ceea ce ni se învață în fizica de liceu și este cazul în mare parte a celor mai multe materiale din natură.

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

Până în prezent, acest fenomen. efectul, cunoscut de fizicieni ca „efectul Hall cuantic fracționat”, a fost observat de câteva ori și mai ales sub câmpuri magnetice foarte mari, atent întreținute. Doar recent oamenii de știință au observat efectul într-un material care nu necesita o manipulare magnetică atât de puternică.

Acum, fizicienii MIT au observat efectul evaziv al încărcăturii fracționale, de data aceasta într-un material mai simplu: cinci straturi de grafen— un strat subțire de atom de carbon care provine din grafit și mine de creion obișnuită. Ei își raportează rezultatele în Nature.

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 prin fracții din sarcina lor totală. , fără a fi nevoie de niciun câmp magnetic extern.

Rezultatele sunt primele dovezi ale „efectului Hall anomal cuantic fracționat” (termenul „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 au loc multe surprize bune”, spune autorul studiului Long Ju, profesor asistent de fizică la MIT. „Încărcarea fracțională este atât de exotică, iar acum putem realiza acest efect cu un sistem mult mai simplu și fără un câmp magnetic. Acest lucru în sine este important pentru fizica fundamentală. Și ar putea permite posibilitatea unui tip de calcul cuantic care este mai mult robust împotriva perturbațiilor.”

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

Efectul Hall cuantic fracționat este un exemplu al fenomenelor ciudate care pot apărea atunci când particulele trec de la a se comporta ca unități individuale la a acționa împreună ca un întreg. Acest comportament colectiv „corelat” apare în stări speciale, de exemplu atunci când electronii sunt încetiniți de la ritmul lor normal frenetic la un târâș care permite particulelor să se simtă reciproc și să interacționeze. Aceste interacțiuni pot produce stări electronice rare, cum ar fi împărțirea aparent neortodoxă a sarcinii unui electron.

În 1982, oamenii de știință au descoperit efectul Hall cuantic fracționat în heterostructurile de arseniură de galiu, unde un gaz de electroni este limitat într-un planul bidimensional este plasat sub câmpuri magnetice mari. Descoperirea a câștigat ulterior grupului un Premiu Nobel pentru Fizică.

„[Descoperirea] a fost o afacere foarte mare, deoarece aceste încărcături unitare care interacționează într-un mod de a da ceva de genul încărcăturii fracționale a fost foarte, foarte bizar, ", spune Ju. „La acea vreme, nu existau predicții teorie, iar experimentele i-au surprins pe toată lumea.”

Acei cercetători și-au obținut rezultatele inovatoare folosind câmpuri magnetice pentru a încetini suficient electronii materialului pentru ca ei să interacționeze. Câmpurile cu care au lucrat au fost de aproximativ 10 ori mai puternice decât ceea ce alimentează de obicei un aparat RMN.

În august 2023, oamenii de știință de la Universitatea din Washington au raportat primele dovezi de încărcare fracționată fără câmp magnetic. Ei au observat această versiune „anomală” a efectului, într-un semiconductor răsucit numit ditelurură de molibden. Grupul a pregătit materialul într-o configurație specifică, despre care teoreticienii au prezis că va oferi materialului un câmp magnetic inerent, suficient pentru a încuraja electronii să se fracționeze fără niciun control magnetic extern.

Rezultatul „fără magneti” a deschis un aspect promițător. calea către calculul cuantic topologic — o formă mai sigură de calcul cuantic, în care ingredientul adăugat al topologiei (o proprietate care rămâne neschimbată în fața unei deformări sau perturbări slabe) oferă protecție suplimentară unui qubit atunci când se efectuează un calcul.

Această schemă de calcul se bazează pe o combinație de efect Hall cuantic fracționat și un supraconductor. Odinioară era aproape imposibil de realizat: este nevoie de un câmp magnetic puternic pentru a obține o sarcină fracțională, în timp ce același câmp magnetic va ucide de obicei supraconductorul. În acest caz, sarcinile fracționale ar servi ca un qubit (unitatea de bază a unui computer cuantic).

Făcând pași

În aceeași lună, Ju și echipa sa s-au întâmplat să observe și semne de sarcină fracțională anormală în grafen — un material pentru care nu existau predicții pentru prezentarea unui astfel de efect.

Grupul lui Ju a explorat comportamentul electronic în grafen, care în sine a prezentat proprietăți excepționale. Cel mai recent, grupul lui Ju a studiat grafenul pentastrat – o structură de cinci foi de grafen, fiecare stivuită ușor depărtat de alta, ca treptele unei scări.

O astfel de structură de grafen pentastrat este încorporată în grafit și poate fi obtinut prin exfoliere folosind banda Scotch. Când sunt plasați într-un frigider la temperaturi ultrareci, electronii structurii încetinesc să se târască și interacționează în moduri în care în mod normal nu ar face-o atunci când zboară la temperaturi mai ridicate.

În noua lor lucrare, cercetătorii au făcut câteva calcule și a descoperit că electronii ar putea interacționa între ei și mai puternic dacă structura pentastratului ar fi aliniată cu nitrură de bor hexagonală (hBN) – un material care are o structură atomică similară cu cea a grafenului, dar cu dimensiuni ușor diferite.

În combinație, cele două materiale ar trebui să producă o superlatice moiré — o structură atomică complicată, asemănătoare schelei, care ar putea încetini electronii în moduri care imită un câmp magnetic.

„Am făcut aceste calcule, apoi ne-am gândit: haideți”, spune Ju, care s-a întâmplat să instaleze un nou frigider cu diluție în laboratorul său MIT vara trecută, pe care echipa plănuia să-l folosească pentru a răci materialele la temperaturi foarte scăzute, pentru a studia comportamentul electronic exotic.

Cercetătorii au fabricat două mostre ale structurii hibride de grafen prin exfolierea mai întâi a straturilor de grafen dintr-un bloc de grafit, apoi folosind instrumente optice pentru a identifica fulgi cu cinci straturi în configurația în trepte. Apoi au ștanțat fulgul de grafen pe un fulg de hBN și au plasat un al doilea fulg de hBN peste structura grafenului. În cele din urmă, au atașat electrozi la structură și l-au plasat în frigider, setat la aproape zero absolut.

Pe măsură ce au aplicat un curent materialului și au măsurat tensiunea de ieșire, au început să vadă semne de încărcare fracțională. , unde tensiunea este egală cu curentul înmulțit cu un număr fracționar și unele constante fundamentale ale fizicii.

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

"Acesta a fost probabil primele mostre serioase pe care le-am pus în noul frigider", adaugă co-primul. autorul Han. „Odată ce ne-am calmat, ne-am uitat în detaliu pentru a ne asigura că ceea ce vedem este real”.

Cu analize suplimentare, echipa a confirmat că structura grafenului a prezentat într-adevăr efectul Hall anomal cuantic fracționat. Este pentru prima dată când efectul a fost observat în grafen.

„Grafenul poate fi, de asemenea, un supraconductor”, spune Ju. „Deci, ai putea avea două efecte total diferite în același material, unul lângă celălalt. Dacă folosești grafenul pentru a vorbi cu grafenul, se evită o mulțime de efecte nedorite atunci când creează o punte între grafenul și alte materiale.”

Deocamdată, grupul 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.”

Această poveste este republicată prin amabilitatea MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site popular care acoperă știri despre cercetare, inovare și predare MIT .

(Fluierul)