Fra blyantmærker til kvantecomputere

Tag en blyant op. Sæt et mærke på et stykke papir. Tillykke:du laver banebrydende fysik i kondenseret materiale. Du gør måske endda det første mærke på vejen til kvantecomputere, ifølge ny perimeterforskning.

Introduktion til grafen

Et af de hotteste materialer inden for forskning i kondenseret materiale i dag er grafen.

Graphene havde en usandsynlig start:det begyndte med forskere, der rodede med blyantmærker på papir. Blyant "bly" er faktisk lavet af grafit, som er et blødt krystalgitter lavet af intet andet end carbonatomer. Når blyanter deponerer den grafit på papir, gitteret lægges i tynde plader. Ved at trække dette gitter fra hinanden til tyndere plader - oprindeligt ved hjælp af Scotch tape - opdagede forskere, at de kun kunne lave flager af krystal med kun et atom tykt.

Navnet på denne kyllingetråd i atomskala er grafen. De mennesker med Scotch tape, Andre Geim og Konstantin Novoselov, vandt Nobelprisen i 2010 for at opdage den. "Som et materiale, den er helt ny - ikke kun den tyndeste nogensinde, men også den stærkeste, "skrev Nobelkomiteen." Som elektricitetsleder, det yder så godt som kobber. Som varmeleder, det overgår alle andre kendte materialer. Det er næsten helt gennemsigtigt, alligevel så tæt, at ikke engang helium, det mindste gasatom, kan passere det. "

Udvikling af en teoretisk model af grafen

Graphene er ikke bare et praktisk vidunder - det er også et eventyrland for teoretikere. Begrænset til den todimensionale overflade af grafen, elektronerne opfører sig mærkeligt. Alle former for nye fænomener kan ses, og nye ideer kan testes. At teste nye ideer i grafen er præcis, hvad perimeterforskere Zlatko Papić og Dmitry (Dima) Abanin satte sig for at gøre.

"Dima og jeg begyndte at arbejde på grafen for meget længe siden, "siger Papić." Vi mødtes første gang i 2009 på en konference i Sverige. Jeg var kandidatstuderende, og Dima var i det første år af sin postdoc, Jeg tror."

De to unge forskere kom til at tale om, hvilken ny fysik de måske kunne observere i det mærkelige nye materiale, når det udsættes for et stærkt magnetfelt.

"Vi besluttede, at vi ville modellere materialet, "siger Papić. De har arbejdet på deres teoretiske model af grafen, tændt og slukket, lige siden. De to er nu begge på Perimeter Institute, hvor Papić er postdoktor og Abanin er fakultetsmedlem. De er begge krydsudnævnt til Institute for Quantum Computing (IQC) ved University of Waterloo.

I januar 2014, de udgav et papir i Fysisk gennemgangsbreve (PRL) præsenterer nye ideer om, hvordan man fremkalder en mærkelig, men interessant tilstand i grafen - en hvor det ser ud som om partikler inde i det har en brøkdel af en elektronladning.

Det kaldes fraktioneret quantum Hall -effekt (FQHE), og det drejer hovedet. Ligesom lysets hastighed eller Plancks konstante, elektronens ladning er et fast punkt i det desorienterende kvanteunivers.

Hvert system i universet bærer hele multipler af en enkelt elektronladning. Da FQHE først blev opdaget i 1980'erne, kondensaterede fysikere fandt hurtigt ud af, at de fraktionelt ladede "partikler" inde i deres halvledere faktisk var kvasipartikler - det vil sige, fremvoksende kollektiv adfærd i systemet, der efterligner partikler.

Graphene er et ideelt materiale til at studere FQHE. "Fordi det kun er et atom tykt, du har direkte adgang til overfladen, "siger Papić." I halvledere, hvor FQHE først blev observeret, gassen af ​​elektroner, der skaber denne effekt, er begravet dybt inde i materialet. De er svære at få adgang til og manipulere. Men med grafen kan du forestille dig at manipulere disse tilstande meget lettere. "

I avisen i januar, Abanin og Papić rapporterede nye typer FQHE -tilstande, der kunne opstå i to -lags grafen - det vil sige i to ark grafen lagt oven på hinanden - når det placeres i et stærkt vinkelret magnetfelt. I et tidligere værk fra 2012, de hævdede, at anvendelse af et elektrisk felt på tværs af overfladen af ​​dobbeltlags grafen kunne tilbyde en unik eksperimentel knop til at fremkalde overgange mellem FQHE -tilstande. Ved at kombinere de to effekter, de argumenterede, ville være en ideel måde at se på særlige FQHE -tilstande og overgangene mellem dem.

Eksperimentelle test

To eksperimentelle grupper - en i Genève, involverer Abanin, og en i Columbia, involverer både Abanin og Papić - har siden brugt det elektriske felt + magnetfeltmetode til god brug. Papiret fra Columbia -gruppen vises i 4. juli -udgaven af Videnskab . En tredje gruppe, ledet af Amir Yacoby fra Harvard, laver nært beslægtet arbejde.

"Vi arbejder ofte hånd i hånd med eksperimenterende, "siger Papić." En af grundene til, at jeg godt kan lide kondenseret stof, er, at ofte selv det mest sofistikerede, banebrydende teori har en god chance for hurtigt at blive tjekket med eksperiment. "

Inde i både det magnetiske og elektriske felt, den elektriske modstand af grafen demonstrerer den mærkelige adfærd, der er karakteristisk for FQHE. I stedet for modstand, der varierer i en jævn kurve med spænding, modstand springer pludselig fra et niveau til et andet, og derefter plateauer - en slags modstandstrappe. Hvert trappetrin er en anden tilstand, defineret af den komplekse kvantevirvel af ladninger, spins, og andre egenskaber inde i grafen.

"Antallet af stater er ret rig, "siger Papić." Vi er meget interesserede i to -lags grafen på grund af antallet af tilstande, vi opdager, og fordi vi har disse mekanismer - som at indstille det elektriske felt - til at studere, hvordan disse tilstande er indbyrdes forbundne, og hvad sker der, når materialet skifter fra en tilstand til en anden. "

I øjeblikket, forskere er især interesserede i trappetrin, hvis "højde" beskrives af en brøkdel med en jævn nævner. Det skyldes, at kvasipartiklerne i denne tilstand forventes at have en usædvanlig egenskab.

Der er to slags partikler i vores tredimensionelle verden:fermioner (såsom elektroner), hvor to identiske partikler ikke kan optage en tilstand, og bosoner (såsom fotoner), hvor to identiske partikler faktisk ønsker at indtage en tilstand. I tre dimensioner, fermioner er fermioner og bosoner er bosoner, og aldrig skal de to mødes.

Men et ark grafen har ikke tre dimensioner - det har to. Det er faktisk et lille todimensionalt univers, og i det univers, nye fænomener kan opstå. For én ting, fermioner og bosoner kan mødes halvvejs - blive anyons, som kan være overalt mellem fermioner og bosoner. Kvasipartiklerne i disse særlige trappetrinstilstande forventes at være nogen.

I særdeleshed, forskerne håber, at disse kvasipartikler vil være ikke-abelske personer, som deres teori indikerer, at de burde være. Det ville være spændende, fordi ikke-abelske personer kan bruges til fremstilling af qubits.

Graphene qubits?

Qubits er til kvantecomputere, hvad bits er til almindelige computere:både en grundlæggende informationsenhed og det grundlæggende udstyr, der gemmer disse oplysninger. På grund af deres kvantekompleksitet, qubits er mere kraftfulde end almindelige bits, og deres kraft vokser eksponentielt, efterhånden som flere af dem tilføjes. En kvantecomputer på kun hundrede qubits kan løse visse problemer uden for rækkevidde for selv de bedste ikke-kvante supercomputere. Eller, det kunne, hvis nogen kunne finde en måde at bygge stabile qubits på.

Driften til at lave qubits er en del af grunden til, at grafen generelt er et varmt forskningsområde, og hvorfor lige-nævneren FQHE angiver-med deres særlige personer-især er eftertragtede. "En tilstand med et vist antal af disse anyons kan bruges til at repræsentere en qubit, "siger Papić." Vores teori siger, at de burde være der, og eksperimenterne ser ud til at bære det ud-bestemt synes FQHE-staterne med jævnførelse at være der, i hvert fald ifølge Genève -eksperimenterne. "

Det er stadig et skridt væk fra eksperimentelt bevis på, at disse jævnnævnere trappetrinstilstande faktisk indeholder ikke-abelske personer. Mere arbejde er tilbage, men Papić er optimistisk:"Det kan være lettere at bevise i grafen, end det ville være i halvledere. Alt sker lige ved overfladen."

Det er stadig tidligt, men det ser ud som om to -lags grafen kan være det magiske materiale, der gør det muligt at bygge denne slags qubit. Det ville være et stort mærke på den usandsynlige grænse mellem blyant og kvantecomputere.