Forskere har foreslået en måde at få elektroner i grafen til at antage helt ny kvanteadfærd. Kredit:N. Beier/JQI og S. Kelley/JQI
Et team af forskere har udtænkt en enkel måde at tune en kendetegnende kvanteeffekt i grafen - materialet dannet af et enkelt lag af kulstofatomer - ved at bade det i lys. Deres teoretiske arbejde, som blev offentliggjort for nylig i Fysisk gennemgangsbreve , foreslår en måde at realisere ny kvanteadfærd, som tidligere var forudsagt, men som hidtil har været utilgængelig i eksperimenter.
"Vores idé er at bruge lys til at konstruere disse materialer på plads, " siger Tobias Grass, en postdoc-forsker ved Joint Quantum Institute (JQI) og medforfatter til papiret. "Den store fordel ved lys er dets fleksibilitet. Det er som at have en knap, der kan ændre fysikken i din prøve."
Forslaget foreslår en metode til at ændre en fysisk effekt, der opstår i flade materialer, der holdes ved meget lave temperaturer og udsættes for ekstremt stærke magneter - mindst tusind gange stærkere end en køleskabsmagnet. Under disse omstændigheder, elektroner, der lyner rundt i et todimensionelt landskab, begynder at opføre sig på en usædvanlig måde. I stedet for konstant at flyde gennem materialet, de bliver låst ind i stramme cirkulære baner af særlige størrelser og energier, næppe afviger fra deres pletter. Kun et vist antal elektroner kan optage hver bane. Når baner er delvist fyldte – hvilket giver elektroner lidt plads til at trække vejret – aktiverer det nye former for interaktioner mellem de ladede partikler og fører til en kompleks kvantedans.
Elektroner udfører denne koreografi - kendt som den fraktionelle kvante Hall-effekt - i grafen. Interessant nok, tuning af interaktionerne mellem elektroner kan lokke dem til forskellige kvante Hall-dansemønstre, men det kræver en stærkere magnet eller en helt anden prøve - nogle gange med to lag grafen stablet sammen.
Det nye værk, som er et samarbejde mellem forskere ved JQI og City College of New York, foreslår at bruge laserlys til at omgå nogle af disse eksperimentelle udfordringer og endda skabe nye kvantedanse. Lyset kan få elektroner til at hoppe mellem baner med forskellige energier. Som resultat, interaktionerne mellem elektronerne ændrer sig og fører til et andet dansemønster, herunder nogle, der aldrig er set før i eksperimenter. Lysets intensitet og frekvens ændrer antallet af elektroner i specifikke baner, giver en nem måde at kontrollere elektronernes ydeevne på. "En sådan lys-stof-interaktion resulterer i nogle modeller, der tidligere er blevet studeret teoretisk, " siger Mohammad Hafezi, en JQI Fellow og en forfatter til papiret. "Men der blev ikke foreslået nogen forsøgsordning for at implementere dem."
Låsning af disse teoretiske danse kan afsløre ny kvanteadfærd. Nogle kan endda afføde eksotiske kvantepartikler, der kunne samarbejde for at forblive beskyttet mod støj - en fristende idé, der kunne være nyttig i søgen efter at bygge robuste kvantecomputere.