Elektroner bliver brøkdele af sig selv i grafen, viser undersøgelse

Elektronen er den grundlæggende enhed af elektricitet, da den bærer en enkelt negativ ladning. Det er det, vi bliver undervist i i gymnasiefysik, og det er overvejende tilfældet i de fleste materialer i naturen.

Men i meget specielle stoftilstande kan elektroner splintre i brøkdele af deres helhed. Dette fænomen, kendt som "fraktionel ladning", er yderst sjældent, og hvis det kan sammenholdes og kontrolleres, kunne den eksotiske elektroniske tilstand hjælpe med at bygge modstandsdygtige, fejltolerante kvantecomputere.

Til dato er denne effekt, kendt af fysikere som "fraktionel kvante Hall-effekt", blevet observeret en håndfuld gange, og for det meste under meget høje, omhyggeligt vedligeholdte magnetfelter. Først for nylig har videnskabsmænd set effekten i et materiale, der ikke krævede så kraftig magnetisk manipulation.

Nu har MIT-fysikere observeret den uhåndgribelige fraktionelle ladningseffekt, denne gang i et enklere materiale:fem lag grafen - et atom-tyndt lag kulstof, der stammer fra grafit og almindelig blyant. De rapporterer deres resultater i Nature .

De fandt ud af, at når fem ark grafen stables som trin på en trappe, giver den resulterende struktur i sagens natur de helt rigtige betingelser for elektroner at passere igennem som brøkdele af deres samlede ladning, uden behov for noget eksternt magnetfelt.

Resultaterne er det første bevis på den "fraktionelle kvante-anomale Hall-effekt" (udtrykket "anomal" refererer til fraværet af et magnetisk felt) i krystallinsk grafen, et materiale, som fysikere ikke forventede at udvise denne effekt.

"Denne femlags grafen er et materialesystem, hvor der sker mange gode overraskelser," siger studieforfatter Long Ju, assisterende professor i fysik ved MIT. "Fraktionel ladning er bare så eksotisk, og nu kan vi realisere denne effekt med et meget enklere system og uden et magnetfelt. Det er i sig selv vigtigt for fundamental fysik. Og det kunne muliggøre muligheden for en form for kvanteberegning, der er mere robust mod forstyrrelser."

Jus MIT-medforfattere er hovedforfatteren Zhengguang Lu, Tonghang Han, Yuxuan Yao, Aidan Reddy, Jixiang Yang, Junseok Seo og Liang Fu sammen med Kenji Watanabe og Takashi Taniguchi ved National Institute for Materials Science i Japan.

En bizar tilstand

Den fraktionelle kvante Hall-effekt er et eksempel på de mærkelige fænomener, der kan opstå, når partikler skifter fra at opføre sig som individuelle enheder til at fungere sammen som en helhed. Denne kollektive "korrelerede" adfærd opstår i specielle tilstande, for eksempel når elektroner bremses fra deres normalt frenetiske tempo til en gennemgang, der gør det muligt for partiklerne at mærke hinanden og interagere. Disse interaktioner kan producere sjældne elektroniske tilstande, såsom den tilsyneladende uortodokse opdeling af en elektrons ladning.

I 1982 opdagede forskere den fraktionelle kvante Hall-effekt i heterostrukturer af galliumarsenid, hvor en gas af elektroner indespærret i et todimensionalt plan er placeret under høje magnetiske felter. Opdagelsen vandt senere gruppen en Nobelpris i fysik.

"[Opdagelsen] var en meget stor sag, fordi disse enhedsafgifter, der interagerer på en måde, der giver noget som fraktioneret ladning, var meget, meget bizart," siger Ju. "På det tidspunkt var der ingen teoriforudsigelser, og eksperimenterne overraskede alle."

Disse forskere opnåede deres banebrydende resultater ved at bruge magnetiske felter til at bremse materialets elektroner nok til, at de kunne interagere. De felter, de arbejdede med, var omkring 10 gange stærkere end det, der typisk driver en MR-maskine.

I august 2023 rapporterede forskere ved University of Washington det første bevis på fraktioneret ladning uden et magnetfelt. De observerede denne "anomale" version af effekten i en snoet halvleder kaldet molybdænditellurid. Gruppen forberedte materialet i en specifik konfiguration, som teoretikere forudsagde ville give materialet et iboende magnetfelt, nok til at tilskynde elektroner til at fraktionere uden nogen ekstern magnetisk kontrol.

Resultatet "ingen magneter" åbnede en lovende vej til topologisk kvanteberegning - en mere sikker form for kvanteberegning, hvor den tilføjede ingrediens i topologi (en egenskab, der forbliver uændret i lyset af svag deformation eller forstyrrelse) giver en qubit ekstra beskyttelse når du udfører en beregning.

Dette beregningsskema er baseret på en kombination af fraktioneret kvante Hall-effekt og en superleder. Det plejede at være næsten umuligt at indse:Man har brug for et stærkt magnetfelt for at få fraktioneret ladning, mens det samme magnetfelt normalt vil dræbe superlederen. I dette tilfælde vil de fraktionelle ladninger tjene som en qubit (grundenheden i en kvantecomputer).

Udførelse af trin

Samme måned observerede Ju og hans team tilfældigvis også tegn på unormal fraktioneret ladning i grafen - et materiale, som der ikke havde været nogen forudsigelser for at udvise en sådan effekt for.

Jus gruppe har udforsket elektronisk adfærd i grafen, som i sig selv har udvist enestående egenskaber. Senest har Jus gruppe undersøgt femlagsgrafen – en struktur af fem grafenark, hver stablet lidt væk fra hinanden, som trin på en trappe.

En sådan femlagsgrafenstruktur er indlejret i grafit og kan opnås ved eksfoliering med Scotch-tape. Når de placeres i et køleskab ved ultrakolde temperaturer, går strukturens elektroner langsomt til at kravle og interagerer på måder, som de normalt ikke ville, når de suser rundt ved højere temperaturer.

I deres nye arbejde foretog forskerne nogle beregninger og fandt ud af, at elektroner kunne interagere med hinanden endnu stærkere, hvis femlagsstrukturen blev justeret med hexagonal bornitrid (hBN) - et materiale, der har en lignende atomstruktur som grafen, men med lidt forskellige dimensioner.

I kombination skulle de to materialer producere et moiré-supergitter - en indviklet, stilladslignende atomstruktur, der kunne bremse elektronerne på måder, der efterligner et magnetfelt.

"Vi lavede disse beregninger, og tænkte så, lad os gå efter det," siger Ju, der tilfældigvis installerede et nyt fortyndingskøleskab i sit MIT-laboratorium sidste sommer, som holdet planlagde at bruge til at køle materialer ned til ultralave temperaturer. studere eksotisk elektronisk adfærd.

Forskerne fremstillede to prøver af hybridgrafenstrukturen ved først at eksfoliere grafenlag fra en grafitblok og derefter bruge optiske værktøjer til at identificere femlags flager i den trinlige konfiguration. De stemplede derefter grafenflagen på en hBN-flage og placerede en anden hBN-flage over grafenstrukturen. Til sidst fastgjorde de elektroder til strukturen og placerede den i køleskabet, indstillet til næsten det absolutte nul.

Da de påførte en strøm til materialet og målte spændingsoutputtet, begyndte de at se signaturer af fraktioneret ladning, hvor spændingen er lig med strømmen ganget med et fraktionelt tal og nogle fundamentale fysikkonstanter.

"Den dag vi så det, genkendte vi det ikke i starten," siger førsteforfatter Lu. "Så begyndte vi at råbe, da vi indså, at det her var virkelig stort. Det var et fuldstændig overraskende øjeblik."

"Dette var sandsynligvis de første seriøse prøver, vi satte i det nye køleskab," tilføjer medforfatter Han. "Når vi faldt til ro, kiggede vi i detaljer for at sikre os, at det, vi så, var ægte."

Med yderligere analyse bekræftede holdet, at grafenstrukturen faktisk udviste den fraktionelle kvante-anomale Hall-effekt. Det er første gang, effekten er set i grafen.

"Graphene kan også være en superleder," siger Ju. "Så du kan have to helt forskellige effekter i det samme materiale, lige ved siden af ​​hinanden. Hvis du bruger grafen til at tale med grafen, undgår det en masse uønskede effekter, når du bygger bro mellem grafen og andre materialer."

Indtil videre fortsætter gruppen med at udforske flerlagsgrafen for andre sjældne elektroniske tilstande.

"Vi dykker ind for at udforske mange grundlæggende fysikideer og anvendelser," siger han. "Vi ved, at der vil komme mere."

Flere oplysninger: Long Ju, Fractional quantum anomalous Hall-effekt i flerlagsgrafen, Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-023-07010-7. www.nature.com/articles/s41586-023-07010-7

Journaloplysninger: Natur

Leveret af Massachusetts Institute of Technology

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.