Η νέα ανακάλυψη γραφενίου από το MIT διαμορφώνει το μέλλον των κβαντικών υπολογιστών

Παρατηρήθηκε περίεργη ηλεκτρονική κατάσταση Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης Οι φυσικοί μπορούν να ενεργοποιήσουν πιο ισχυρές μορφές Ποσοτικές στατιστικές.

Το ηλεκτρόνιο είναι η βασική μονάδα ηλεκτρισμού, γιατί φέρει ένα μόνο αρνητικό φορτίο. Αυτό μάθαμε στη φυσική του γυμνασίου, και αυτό συμβαίνει σε συντριπτική πλειοψηφία στα περισσότερα μαθήματα στη φύση.

Αλλά σε πολύ ειδικές καταστάσεις της ύλης, τα ηλεκτρόνια μπορούν να χωριστούν σε μέρη του συνόλου τους. Αυτό το φαινόμενο, γνωστό ως «μερική φόρτιση», είναι εξαιρετικά σπάνιο και εάν μπορεί να παγιδευτεί και να ελεγχθεί, η εξωτική ηλεκτρονική κατάσταση θα μπορούσε να βοηθήσει στην κατασκευή ευέλικτων, ανεκτικών σε σφάλματα κβαντικών υπολογιστών.

Μέχρι στιγμής, αυτό το φαινόμενο, γνωστό στους φυσικούς ως «κλασματικό κβαντικό φαινόμενο Hall», έχει παρατηρηθεί πολλές φορές, κυρίως κάτω από πολύ υψηλά και προσεκτικά διατηρημένα μαγνητικά πεδία. Μόλις πρόσφατα οι επιστήμονες ανακάλυψαν την επίδραση σε ένα υλικό που δεν απαιτεί τόσο ισχυρό μαγνητικό χειρισμό.

Τώρα, φυσικοί από το MIT παρατήρησαν το φευγαλέο φαινόμενο μερικού φορτίου, αυτή τη φορά σε ένα απλούστερο υλικό: πέντε στρώματα… Γραφένιο – ότι καλαμπόκι– Ένα λεπτό στρώμα άνθρακα προέρχεται από γραφίτη και συνηθισμένο μόλυβδο. Ανέφεραν τα ευρήματά τους στις 21 Φεβρουαρίου στο περιοδικό φύση.

Φωτογραφία ομάδας. Από αριστερά προς τα δεξιά: Long Ju, μεταδιδακτορικός ερευνητής Zhengguang Lu, επισκέπτης προπτυχιακός φοιτητής Yuxuan Yao, μεταπτυχιακός φοιτητής Tonghang Huang. Πίστωση: Jixiang Yang

Βρήκαν ότι όταν πέντε φύλλα γραφενίου στοιβάζονται σαν τα σκαλοπάτια μιας σκάλας, η δομή που προκύπτει παρέχει εγγενώς τις κατάλληλες συνθήκες για να περάσουν τα ηλεκτρόνια ως μέρη του συνολικού τους φορτίου, χωρίς την ανάγκη εξωτερικού μαγνητικού πεδίου.

Τα αποτελέσματα είναι η πρώτη απόδειξη ενός «μερικού κβαντικού ανώμαλου φαινομένου Hall» (το «ανώμαλο» αναφέρεται στην απουσία μαγνητικού πεδίου) στο κρυσταλλικό γραφένιο, ένα υλικό που οι φυσικοί δεν περίμεναν να παρουσιάσει αυτό το φαινόμενο.

«Αυτό το γραφένιο πέντε στρωμάτων είναι ένα σύστημα υλικού στο οποίο συμβαίνουν πολλές καλές εκπλήξεις», λέει ο συγγραφέας της μελέτης Long Ju, επίκουρος καθηγητής φυσικής στο MIT. “Το κλασματικό φορτίο είναι πολύ περίεργο και τώρα μπορούμε να επιτύχουμε αυτό το αποτέλεσμα χρησιμοποιώντας ένα πολύ απλούστερο σύστημα και χωρίς μαγνητικό πεδίο. Αυτό από μόνο του είναι σημαντικό για τη θεμελιώδη φυσική. Θα μπορούσε να ανοίξει την πιθανότητα ενός τύπου κβαντικού υπολογισμού που είναι πιο ισχυρός ενάντια στην αναστάτωση».

Συν-συγγραφείς στο MIT είναι ο κύριος συγγραφέας Zhengguang Lu, Tonghang Han, Yuxuan Yao, Aidan Reddy, Jixiang Yang, Junseok Seo, Liang Fu, μαζί με τους Kenji Watanabe και Takashi Taniguchi στο Εθνικό Ινστιτούτο Επιστήμης Υλικών στην Ιαπωνία.

Παράξενη χώρα

Το μερικό κβαντικό φαινόμενο Hall είναι ένα παράδειγμα των περίεργων φαινομένων που μπορεί να προκύψουν όταν τα σωματίδια αλλάζουν από τη συμπεριφορά ως μεμονωμένες μονάδες σε συμπεριφέρονται μαζί ως σύνολο. Αυτή η συλλογική «συνεκτική» συμπεριφορά εμφανίζεται σε ειδικές περιπτώσεις, για παράδειγμα, όταν τα ηλεκτρόνια επιβραδύνονται από την κανονικά ξέφρενη ταχύτητά τους σε μια ανίχνευση που επιτρέπει στα μόρια να αισθάνονται το ένα το άλλο και να αλληλεπιδρούν. Αυτές οι αλληλεπιδράσεις μπορούν να παράγουν σπάνιες ηλεκτρονικές καταστάσεις, όπως η μη συμβατική διάσπαση του φορτίου ηλεκτρονίων.

Το 1982, οι επιστήμονες ανακάλυψαν το μερικό κβαντικό φαινόμενο Hall σε ετεροδομές αρσενιδίου του γαλλίου, στις οποίες ένα αέριο ηλεκτρονίων που περιορίζεται σε ένα δισδιάστατο επίπεδο συγκρατείται κάτω από υψηλά μαγνητικά πεδία. Αυτή η ανακάλυψη οδήγησε αργότερα στην ομάδα να λάβει το Νόμπελ Φυσικής.

“[The discovery] «Αυτό ήταν ένα πολύ μεγάλο πρόβλημα, γιατί η αλληλεπίδραση αυτών των μονάδων φορτίου με τρόπο που έδινε κάτι σαν κλασματικό φορτίο ήταν πολύ περίεργη», λέει ο Τζο. «Εκείνη την εποχή, δεν υπήρχαν θεωρητικές προβλέψεις και τα πειράματα εξέπληξαν τους πάντες».

Αυτοί οι ερευνητές πέτυχαν τα πρωτοποριακά τους αποτελέσματα χρησιμοποιώντας μαγνητικά πεδία για να επιβραδύνουν τα ηλεκτρόνια ενός υλικού αρκετά ώστε να αλληλεπιδρούν. Τα πεδία με τα οποία δούλεψαν ήταν περίπου 10 φορές ισχυρότερα από αυτά που τροφοδοτούν συνήθως ένα μηχάνημα μαγνητικής τομογραφίας.

Τον Αύγουστο του 2023, οι επιστήμονες στο Πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον Ανέφερε τα πρώτα στοιχεία για την ύπαρξη μερικού φορτίου χωρίς μαγνητικό πεδίο. Παρατήρησαν αυτή την «ανώμαλη» εκδοχή του φαινομένου, σε έναν στριμμένο ημιαγωγό που ονομάζεται διτελλουρίδιο του μολυβδαινίου. Η ομάδα προετοίμασε το υλικό με μια συγκεκριμένη διαμόρφωση, η οποία οι θεωρητικοί προέβλεψαν ότι θα έδινε στο υλικό ένα εγγενές μαγνητικό πεδίο, αρκετό για να ενθαρρύνει τα ηλεκτρόνια να χωριστούν χωρίς εξωτερικό μαγνητικό έλεγχο.

Το αποτέλεσμα “χωρίς μαγνήτη” άνοιξε έναν πολλά υποσχόμενο δρόμο προς τον τοπολογικό κβαντικό υπολογισμό – μια ασφαλέστερη μορφή κβαντικού υπολογισμού, όπου το πρόσθετο στοιχείο της τοπολογίας (μια ιδιότητα που παραμένει αμετάβλητη σε περίπτωση παραμόρφωσης ή ασθενής διαταραχής) παρέχει πρόσθετη προστασία για το qubit κατά την εκτέλεση ενός υπολογισμού. Αυτό το σχήμα υπολογισμού βασίζεται σε έναν συνδυασμό μερικού κβαντικού φαινομένου Hall και υπεραγωγιμότητας. Ήταν σχεδόν αδύνατο να το συνειδητοποιήσει κανείς: χρειάζεται ένα ισχυρό μαγνητικό πεδίο για να αποκτήσει μερικό φορτίο, ενώ το ίδιο μαγνητικό πεδίο συνήθως σκότωνε έναν υπεραγωγό. Σε αυτήν την περίπτωση, τα κλασματικά φορτία θα ήταν ένα qubit (η βασική μονάδα ενός κβαντικού υπολογιστή).

Κάνοντας βήματα

Τον ίδιο μήνα, ο Gu και η ομάδα του έτυχε επίσης να παρατηρήσουν σημάδια ανώμαλου μερικού φορτίου στο γραφένιο, ένα υλικό που δεν αναμενόταν να έχει τέτοια επίδραση.

Η ομάδα του Gu διερευνά την ηλεκτρονική συμπεριφορά στο γραφένιο, το οποίο έχει επιδείξει εξαιρετικές ιδιότητες. Πρόσφατα, η ομάδα του Gu ερεύνησε το γραφένιο με πεντάστιχο, μια δομή που αποτελείται από πέντε φύλλα γραφενίου, το καθένα στοιβαγμένο ελαφρώς μακριά από τα άλλα, όπως τα σκαλοπάτια μιας σκάλας. Αυτή η πενταγωνική δομή γραφενίου είναι ενσωματωμένη σε γραφίτη και μπορεί να ληφθεί με απολέπιση με ταινία Scotch. Όταν τοποθετούνται σε καταψύκτη σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες, τα ηλεκτρόνια της δομής καθυστερούν να σέρνονται και αντιδρούν με τρόπους που κανονικά δεν θα έκαναν όταν περιπλανώνται σε υψηλότερες θερμοκρασίες.

Στη νέα τους εργασία, οι ερευνητές έκαναν μερικούς υπολογισμούς και διαπίστωσαν ότι τα ηλεκτρόνια μπορεί να αλληλεπιδράσουν μεταξύ τους πιο έντονα εάν η δομή του πενταγωνικού στρώματος ήταν ευθυγραμμισμένη με το εξαγωνικό νιτρίδιο του βορίου (hBN) – ένα υλικό με ατομική δομή παρόμοια με αυτή του γραφενίου, αλλά με ελαφρώς διαφορετικές διαστάσεις. Σε συνδυασμό, τα δύο υλικά θα πρέπει να παράγουν ένα υπερπλέγμα moiré, μια σύνθετη ατομική δομή σαν ικρίωμα που μπορεί να επιβραδύνει την κίνηση των ηλεκτρονίων με τρόπους που μιμούνται ένα μαγνητικό πεδίο.

“Κάναμε αυτούς τους υπολογισμούς και μετά σκεφτήκαμε “Ας το κάνουμε”, λέει ο Joe, ο οποίος έτυχε να εγκαταστήσει ένα νέο ψυγείο αραίωσης στο εργαστήριό του στο MIT το περασμένο καλοκαίρι, το οποίο η ομάδα σχεδίαζε να χρησιμοποιήσει για να ψύξει υλικά σε εξαιρετικά χαμηλά επίπεδα. θερμοκρασίες. Ηλεκτρονική συμπεριφορά.

Οι ερευνητές κατασκεύασαν δύο δείγματα της δομής του υβριδικού γραφενίου ξεφλουδίζοντας πρώτα στρώματα γραφενίου από ένα μπλοκ γραφίτη και στη συνέχεια χρησιμοποιώντας οπτικά εργαλεία για να αναγνωρίσουν τις νιφάδες πέντε στρωμάτων σε διαβαθμισμένη διαμόρφωση. Στη συνέχεια σφράγισαν τη γκοφρέτα γραφενίου σε μια γκοφρέτα hBN και τοποθέτησαν μια δεύτερη γκοφρέτα hBN πάνω από τη δομή γραφενίου. Τέλος, προσάρτησαν ηλεκτρόδια στην κατασκευή και την τοποθέτησαν σε μια κατάψυξη και στη συνέχεια την τοποθέτησαν σε κοντινή απόσταση Απόλυτο μηδενικό.

Όταν εφάρμοσαν ρεύμα στο υλικό και μέτρησαν την τάση εξόδου, άρχισαν να βλέπουν τις υπογραφές κλασματικής φόρτισης, όπου η τάση ισούται με ρεύμα πολλαπλασιασμένο με έναν κλασματικό αριθμό και μερικές βασικές φυσικές σταθερές.

«Την ημέρα που τον είδαμε, δεν τον αναγνωρίσαμε στην αρχή», λέει ο πρώτος συγγραφέας Lu. “Μετά αρχίσαμε να ουρλιάζουμε όταν συνειδητοποιήσαμε ότι αυτό ήταν ένα πραγματικά μεγάλο θέμα. Ήταν μια εντελώς εκπληκτική στιγμή.”

«Αυτά ήταν πιθανώς τα πρώτα σοβαρά δείγματα που βάλαμε στο νέο ψυγείο», προσθέτει ο πρώτος συγγραφέας Hahn. Μόλις ηρεμήσαμε, εξετάσαμε τις λεπτομέρειες για να βεβαιωθούμε ότι αυτό που βλέπαμε ήταν αληθινό.»

Με περαιτέρω ανάλυση, η ομάδα επιβεβαίωσε ότι η δομή του γραφενίου όντως παρουσίαζε ένα μερικό κβαντικό ανώμαλο φαινόμενο Hall. Αυτή είναι η πρώτη φορά που αυτό το φαινόμενο φαίνεται στο γραφένιο.

«Το γραφένιο θα μπορούσε επίσης να είναι υπεραγωγός», λέει ο Gu. “Έτσι, μπορείτε να έχετε δύο εντελώς διαφορετικά εφέ στο ίδιο υλικό, το ένα δίπλα στο άλλο. Εάν χρησιμοποιείτε γραφένιο για να μιλήσετε με γραφένιο, αποφεύγετε πολλά ανεπιθύμητα αποτελέσματα όταν συνδέετε το γραφένιο με άλλα υλικά.”

Επί του παρόντος, η ομάδα συνεχίζει να εξερευνά το πολυστρωματικό γραφένιο για άλλες σπάνιες ηλεκτρονικές καταστάσεις.

«Βουτάμε για να εξερευνήσουμε πολλές θεμελιώδεις ιδέες και εφαρμογές της φυσικής», λέει. «Ξέρουμε ότι θα ακολουθήσουν κι άλλα».

Αναφορά: «Μερικό κβαντικό ανώμαλο φαινόμενο Hall σε πολυστρωματικό γραφένιο» από τους Zhengguang Lu, Tonghang Han, Yuxuan Yao, Aidan P. Reddy, Jixiang Yang, Junseok Seo, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Liang Fu and Long Ju, 21 Φεβρουαρίου 2024, φύση.
doi: 10.1038/s41586-023-07010-7

Αυτή η έρευνα υποστηρίζεται εν μέρει από το Ίδρυμα Sloan και το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών.