Afstembar kvanteadfærd observeret i tolagsgrafen

Columbia-forskere har observeret den fraktionelle kvante-Hall-effekt i tolagsgrafen og vist, at denne eksotiske tilstand af stof kan tunes af et elektrisk felt.

Den fraktionelle kvante Hall-effekt, som kan opstå, når elektroner begrænset til tynde plader udsættes for store magnetiske felter, er et slående eksempel på kollektiv adfærd, hvor tusindvis af individuelle elektroner opfører sig som et enkelt system. Imidlertid, mens den grundlæggende teori, der beskriver denne effekt, er veletableret, mange detaljer om denne kollektive adfærd er stadig ikke godt forstået, dels fordi det kun er observerbart i systemer med ekstremt lav lidelse.

grafen, en atomart tynd plade af kulstof, er et lovende materiale til undersøgelse af den fraktionelle kvante Hall-effekt, både fordi det kan være en næsten defektfri krystal, og fordi forskere kan 'tune' ladningstætheden med en ekstern metal-'gate'-elektrode og observere, hvordan kvantetilstandene udvikler sig som reaktion. I løbet af de sidste mange år, et samarbejde på Columbia University, der spænder over forskere fra Mechanical Engineering, Elektroteknik og fysik, udviklet en række banebrydende fremstillingsteknikker for at udnytte denne mulighed, giver dem mulighed for at rapportere den første observation af den fraktionelle kvante Hall-effekt i grafen i 2009, og den første brede tuning af effekten i 2011.

Et endnu mere interessant system til undersøgelse af den fraktionelle kvante Hall-effekt er såkaldt dobbeltlagsgrafen, som består af to stablede grafenplader. I dette materiale, brug af to metal-gate-elektroder (over og under) tillader uafhængig justering af ladningstætheden i hvert lag, som giver en helt ny måde at manipulere de fraktionelle kvante Hall-tilstande på. I særdeleshed, teori forudsiger, at det burde være muligt at skabe eksotiske 'ikke-abelske' tilstande, der kunne bruges til kvanteberegning.

Mens observation af den fraktionelle kvante Hall-effekt i enkeltlagsgrafen krævede blot at lave renere enheder, at observere denne effekt i dobbeltlagsgrafen viste sig at være sværere. "Vi vidste, at vi kunne fremstille meget rene tolags grafenstrukturer, men vi led af vores manglende evne til at skabe god elektrisk kontakt, da tolagsgrafen udvikler et elektronisk 'båndgab' under de høje magnetiske felter og lave temperaturer, der kræves til vores eksperimenter, " siger Cory Dean, professor i fysik, der for nylig flyttede til Columbia University, og hovedforfatter på papiret. Et kritisk gennembrud var re-design af enhederne, så ladningstætheden i kontaktområderne kunne indstilles uafhængigt af resten af ​​enheden, hvilket gjorde det muligt for dem at opretholde god elektrisk kontakt selv under store magnetfelter. "Da vi først havde fået denne nye enhedsstruktur, var resultaterne spektakulære."

Rapportering i den 4. juli, 2014 udgave af Videnskab , holdet demonstrerer eksistensen af ​​den fraktionelle kvante-Hall-effekt i tolagsgrafen og viser bevis på en kontrollerbar faseovergang ved anvendelse af elektriske felter. Et af nøglespørgsmålene for at forstå den fraktionelle kvante Hall-effekt i ethvert system er at identificere rækkefølgen forbundet med grundtilstanden. For eksempel, bærer alle elektroner forbundet i den kollektive tilstand det samme spin? I dobbeltlagsgrafen er dette spørgsmål mere komplekst, da der er flere grader af symmetri i spil på én gang. Ud over spin, elektroner kan polarisere ved spontant at opholde sig helt på det ene lag kontra det andet. Denne kompleksitet giver en interessant ny fase plads til at udforske for nye og usædvanlige effekter. I særdeleshed, flere teorier har forudsagt, at anvendelse af elektriske felter på tolagsgrafen kunne muliggøre overgange mellem disse grundtilstandsordrer. "Dette er en ny eksperimentel knap, der bare ikke er tilgængelig i andre systemer, " siger James Hone, en professor i maskinteknik og medforfatter på papiret. Holdet har for første gang bekræftet, at variation af det påførte elektriske felt forårsager en faseovergang, men den nøjagtige karakter af disse forskellige faser forbliver et åbent spørgsmål. "Mens teorien forventer, at vi kan justere grundtilstandsordenen, systemets kompleksitet gør det vanskeligt at afgøre præcis, hvilken rækkefølge der rent faktisk realiseres, " siger fysikprofessor og medforfatter Philip Kim.

"Det er her, næste fase af vores forskning er på vej, " siger Dean. "Konsekvenserne for dette resultat kan være vidtrækkende, " tilføjer han, "Selvom vi endnu ikke ser noget bevis på ikke-abelske stater, det faktum, at vi er i stand til at modificere arten af ​​den fraktionelle kvante Hall-effekt ved hjælp af elektriske felter, er et virkelig spændende første skridt."

Mens tidligere bestræbelser har været i stand til at påvise forskellige aspekter af prøvekravet, ingen anden gruppe har været i stand til at samle alt dette til en enkelt enhed. Dean tilskriver denne succes det unikke samarbejdsmiljø, der er fremmet ved Columbia University. "Dette er virkelig et bemærkelsesværdigt miljø, " han siger, tilføjer, "Den åbne udveksling af ideer på tværs af flere discipliner gør miljøet i Columbia til et frugtbart grundlag for at lave stor videnskab." Enhedsfremstilling og indledende test blev udført ved Columbia University. Måling under store magnetfelter blev derefter udført af Columbia-teamet ved hjælp af brugerfaciliteten National High Magnetic Field Laboratory i Tallahassee, Florida. "Vi har etableret et fantastisk forhold til NHFML gennem mange år, " siger Dean. "Støtten ydet af NHMFL-personalet på både teknisk og videnskabeligt niveau har været uvurderlig for vores indsats."