Graphene kan være vært for eksotiske nye kvanteelektroniske tilstande ved sine kanter

(Phys.org)-Graphene er blevet et vidunderligt materiale til alle formål, ansporer forskere til at undersøge nye muligheder for dette todimensionale gitter af rent kulstof. Men ny forskning på MIT har fundet yderligere potentiale for materialet ved at afdække uventede funktioner, der viser sig under nogle ekstreme forhold - funktioner, der kan gøre grafen egnet til eksotiske anvendelser såsom kvantecomputing.

Forskningen offentliggøres i denne uge i tidsskriftet Natur , i et oplæg af professorerne Pablo Jarillo-Herrero og Ray Ashoori, postdocs Andrea Young og Ben Hunt, kandidatstuderende Javier Sanchez-Yamaguchi, og tre andre. Under et ekstremt kraftigt magnetfelt og ved ekstremt lav temperatur, fandt forskerne, grafen kan effektivt filtrere elektroner i henhold til deres spin -retning, noget, der ikke kan udføres af noget konventionelt elektronisk system.

Under typiske forhold, plader af grafen opfører sig som normale ledere:Påfør en spænding, og strøm strømmer gennem den todimensionale flage. Hvis du tænder et magnetfelt vinkelret på grafenflaget, imidlertid, adfærden ændres:Nuværende strømmer kun langs kanten, mens hovedparten forbliver isolerende. I øvrigt, denne strøm flyder kun i en retning - med eller mod uret, afhængig af magnetfeltets orientering - i et fænomen kendt som quantum Hall -effekten.

I det nye værk, forskerne fandt ud af, at hvis de anvender et andet kraftigt magnetfelt - denne gang i det samme plan som grafenflaget - ændrer materialets adfærd sig igen:Elektroner kan bevæge sig rundt om ledningskanten i begge retninger, med elektroner, der har en slags spin, der bevæger sig med uret, mens dem med det modsatte spin bevæger sig mod uret.

"Vi skabte en usædvanlig slags leder langs kanten, "siger Young, en Pappalardo postdoktor i MITs fysikafdeling og papirets hovedforfatter, "stort set en endimensionel ledning." Adskillelsen af ​​elektroner efter spin er "et normalt træk ved topologiske isolatorer, " han siger, "men grafen er normalt ikke en topologisk isolator. Vi får den samme effekt i et meget anderledes materialesystem."

Hvad mere er, ved at variere magnetfeltet, "vi kan tænde og slukke disse kanttilstande, "Siger Young. Den skifteevne betyder, at, i princippet, "vi kan lave kredsløb og transistorer ud af disse, " han siger, som ikke er blevet realiseret før i konventionelle topologiske isolatorer.

Der er en anden fordel ved denne spin -selektivitet, Young siger:Det forhindrer et fænomen kaldet "tilbagespredning, "som kunne forstyrre elektronernes bevægelse. Som følge heraf, ufuldkommenheder, der normalt ville ødelægge materialets elektroniske egenskaber, har ringe effekt. "Selvom kanterne er 'beskidte, 'elektroner transmitteres langs denne kant næsten perfekt, " han siger.

Jarillo-Herrero, Mitsui Career Development lektor i fysik på MIT, siger, at den adfærd, der blev set i disse grafenflager, var forudsagt, men aldrig set før. Dette arbejde, han siger, er første gang, at sådan spin-selektiv adfærd er blevet påvist i et enkelt ark grafen, og også første gang nogen har demonstreret evnen "til at skifte mellem disse to regimer."

Det kan i sidste ende føre til en ny måde at lave en slags kvantecomputer på, Jarillo-Herrero siger, noget, forskere har forsøgt at gøre, uden succes, i årtier. Men på grund af de nødvendige ekstreme forhold, Young siger, "dette ville være en meget specialiseret maskine", der kun bruges til beregningsopgaver med høj prioritet, f.eks. i nationale laboratorier.

Ashoori, professor i fysik, påpeger, at de nyopdagede kanttilstande har en række overraskende egenskaber. For eksempel, selvom guld er en usædvanlig god elektrisk leder, når der tilsættes guldklatter til kanten af ​​grafenflagerne, de får den elektriske modstand til at stige. Guldklatterne tillader elektronerne at spredes tilbage til den modsatte bevægende tilstand ved at blande elektronspinene; jo mere guld der tilføjes, jo mere modstanden stiger.

Denne forskning repræsenterer "en ny retning" i topologiske isolatorer, Young siger. "Vi ved ikke rigtigt, hvad det kan føre til, men det åbner vores tankegang om den slags elektriske apparater, vi kan lave. "

Eksperimenterne krævede brug af et magnetfelt med en styrke på 35 tesla - "cirka 10 gange mere end i en MR -maskine, "Siger Jarillo-Herrero-og en temperatur på kun 0,3 grader Celsius over det absolutte nul. Dog er teamet forfølger allerede måder at observere en lignende effekt på magnetfelter på kun en tesla - svarende til en stærk køkkenmagnet - og ved højere temperaturer.

Philip Kim, en professor i fysik ved Columbia University, der ikke var involveret i dette arbejde, siger, "Forfatterne her har smukt demonstreret fremragende kvantisering af konduktansen, "som forudsagt af teori. Han tilføjer, "Dette er et meget flot arbejde, der kan forbinde topologisk isolatorfysik til grafens fysik med interaktioner. Dette arbejde er et godt eksempel på, hvordan de to mest populære emner inden for kondenseret fysik er forbundet med hinanden."

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.