Forskning afslører eksotiske kvantetilstande i dobbeltlagsgrafen

Forskere fra Brown og Columbia Universiteter har påvist tidligere ukendte tilstande af stof, der opstår i dobbeltlags stakke af grafen, et todimensionelt nanomateriale. Disse nye stater, kendt som den fraktionelle kvante Hall-effekt, opstå fra de komplekse interaktioner af elektroner både inden for og på tværs af grafenlag.

"Resultaterne viser, at stabling af 2D-materialer tæt på hinanden genererer helt ny fysik, " sagde Jia Li, assisterende professor i fysik ved Brown, som påbegyndte dette arbejde, mens han var post-doc i Columbia og arbejdede med Cory Dean, professor i fysik, og Jim Hone, professor i maskinteknik. "Med hensyn til materialeteknik, dette arbejde viser, at disse lagdelte systemer kunne være levedygtige til at skabe nye typer elektroniske enheder, der drager fordel af disse nye kvante Hall-tilstande."

Forskningen er publiceret i tidsskriftet Naturfysik .

Vigtigt, siger Hone, Wang Fong-Jen professor i maskinteknik ved Columbia Engineering, flere af disse nye kvante Hall-stater "kan være nyttige til at lave fejltolerante kvantecomputere."

Hall-effekten opstår, når et magnetfelt påføres et ledende materiale i en vinkelret retning på en strøm. Det magnetiske felt får strømmen til at afbøje, skabe en spænding i tværgående retning, kaldet Hall-spændingen. Styrken af ​​Hall-spændingen stiger med styrken af ​​magnetfeltet. Kvanteversionen af ​​Hall-effekten blev først opdaget i eksperimenter udført i 1980 ved lave temperaturer og stærke magnetfelter. Forsøgene viste, at snarere end at øge jævnt med magnetisk feltstyrke, Hall-spændingen stiger trinvist (eller kvantiseret). Disse trin er heltals multipla af fundamentale naturkonstanter og er fuldstændig uafhængige af den fysiske sammensætning af det materiale, der blev brugt i eksperimenterne. Opdagelsen blev tildelt Nobelprisen i fysik i 1985.

Et par år senere, forskere, der arbejder ved temperaturer nær det absolutte nulpunkt og med meget stærke magnetiske felter, fandt nye typer af kvante-Hall-tilstande, hvor kvantetrinene i Hall-spændingen svarer til brøktal, deraf navnet fraktionel kvante Hall-effekt. Opdagelsen af ​​den fraktionelle kvante Hall-effekt vandt endnu en Nobelpris, i 1998. Teoretikere hævdede senere, at den fraktionelle kvante Hall-effekt er relateret til dannelsen af ​​kvasipartikler kaldet sammensatte fermioner. I denne tilstand, hver elektron kombineres med en kvante af magnetisk flux for at danne en sammensat fermion, der bærer en brøkdel af en elektronladning, hvilket giver anledning til brøkværdierne i Hall-spænding.

Den sammensatte fermionteori har haft succes med at forklare et utal af fænomener observeret i enkelte kvantebrøndsystemer. Denne nye forskning brugte dobbeltlagsgrafen til at undersøge, hvad der sker, når to kvantebrønde bringes tæt sammen. Teori havde foreslået, at interaktionen mellem to lag ville føre til en ny type komposit fermion, men dette var aldrig blevet observeret i eksperimentet.

Til eksperimenterne, holdet byggede på mange års arbejde hos Columbia for at forbedre kvaliteten af ​​grafenenheder, skabe ultra-rene enheder udelukkende af atomisk flade 2-D-materialer. Kernen i strukturen består af to grafenlag adskilt af et tyndt lag hexagonalt bornitrid som en isolerende barriere. Dobbeltlagsstrukturen er indkapslet af sekskantet bornitrid som en beskyttende isolator, og grafit som en ledende port til at ændre ladningsbærertætheden i kanalen.

"Igen har den utrolige alsidighed af grafen givet os mulighed for at skubbe grænserne for enhedsstrukturer ud over, hvad der tidligere var muligt." siger Dean, professor i fysik ved Columbia University. "Den præcision og indstilling, hvormed vi kan lave disse enheder, giver os nu mulighed for at udforske et helt område af fysik, som for nylig blev anset for at være totalt utilgængeligt."

Grafenstrukturerne blev derefter udsat for stærke magnetfelter - millioner af gange stærkere end Jordens magnetfelt. Forskningen producerede en række fraktionerede kvante Hall-tilstande, hvoraf nogle viser fremragende overensstemmelse med den sammensatte fermion-model, og nogle, der aldrig var blevet forudsagt eller set.

"Ud over de mellemlags kompositfermioner, vi observerede andre funktioner, der ikke kan forklares i den sammensatte fermion-model, " sagde Qianhui Shi, avisens medførste forfatter og postdoc-forsker ved Columbia. "En mere omhyggelig undersøgelse viste, at til vores overraskelse, disse nye tilstande skyldes parring mellem sammensatte fermioner. Parringsinteraktion mellem tilstødende lag og inden for det samme lag giver anledning til en række nye kvantefænomener, gør dobbeltlagsgrafen til en spændende platform at studere."

"Af særlig interesse, " siger Hone, "er flere nye stater, der har potentialet til at være vært for ikke-abelske bølgefunktioner - stater, der ikke helt passer til den traditionelle sammensatte fermionmodel." I ikke-abeliaske stater, elektroner opretholder en slags "hukommelse" af deres tidligere positioner i forhold til hinanden. Det har potentiale til at aktivere kvantecomputere, der ikke kræver fejlkorrektion, som i øjeblikket er en stor anstødssten på området.

"Dette er de første nye kandidater til ikke-abiske stater i 30 år, " sagde Dean. "Det er virkelig spændende at se ny fysik dukke op fra vores eksperimenter."

Undersøgelsen har titlen "Parringstilstande af sammensatte fermioner i dobbeltlagsgrafen."