Forskere observerer eksotiske kvantepartikler i tolagsgrafen

5. oktober, 2017 – Et team ledet af Cory Dean, assisterende professor i fysik ved Columbia University, og James Hone, Wang Fong-Jen professor i maskinteknik ved Columbia Engineering, har definitivt observeret en intenst undersøgt anomali i det kondenserede stofs fysik - den lige nævner fraktionelle kvante Hall (FQH) tilstand - via transportmåling i tolagsgrafen. Undersøgelsen er offentliggjort online i dag i Videnskab .

"At observere 5/2-tilstanden i ethvert system er en bemærkelsesværdig videnskabelig mulighed, da det omfatter nogle af de mest forvirrende begreber i moderne kondenseret stoffysik, såsom fremkomst, kvasipartikeldannelse, kvantisering, og endda superledning, " siger Dean. "Vores observation, at i tolags grafen, 5/2-tilstanden overlever til meget højere temperaturer end tidligere antaget muligt, ikke kun giver os mulighed for at studere dette fænomen på nye måder, men ændrer også vores syn på FQH-tilstanden fra i høj grad at være en videnskabelig kuriosum til nu at have et stort potentiale for applikationer i den virkelige verden, især inden for kvanteberegning."

Først opdaget i 1980'erne i galliumarsenid (GaAs) heterostrukturer, 5/2-brøkkvantehaltilstanden forbliver den enestående undtagelse fra den ellers strenge regel, der siger, at fraktioneret kvantehaltilstand kun kan eksistere med ulige nævnere. Kort efter opdagelsen, teoretisk arbejde antydede, at denne tilstand kunne repræsentere en eksotisk type superleder, til dels bemærkelsesværdigt for muligheden for, at en sådan fase kunne muliggøre en fundamentalt ny tilgang til kvanteberegning. Imidlertid, bekræftelse af disse teorier er forblevet uhåndgribelig, hovedsagelig på grund af statens skrøbelige natur; i GaAs er det kun observerbart i prøver af højeste kvalitet og forekommer selv da kun ved milikelvin-temperaturer (så meget som 10, 000 gange koldere end vands frysepunkt).

Columbia-teamet har nu observeret den samme tilstand i tolagsgrafen og optræder ved meget højere temperaturer og når adskillige Kelvin. "Mens det stadig er 100 gange koldere end frysepunktet for vand, at se den lige nævnertilstand ved disse temperaturer åbner døren til en helt ny suite af eksperimentelle værktøjer, som tidligere var utænkelige, " siger Dean. "Efter flere årtiers indsats fra forskere over hele verden, vi kan endelig være tæt på at løse mysteriet om den 5/2."

Et af de udestående problemer inden for moderne kondenseret stoffysik er at forstå fænomenet "fremkomst, " resultatet af en stor samling af kvantepartikler, der opfører sig sammen på grund af interaktioner mellem partiklerne og giver anledning til nye egenskaber, som ikke er et kendetegn ved de enkelte dele. F.eks. i superledere, et stort antal elektroner kollapser alle til en enkelt kvantetilstand, som så kan forplante sig gennem et metal uden energitab. Den fraktionelle kvante Hall-effekt er en anden tilstand, hvor elektroner kolliderer med hinanden, i nærvær af et magnetfelt, resulterer i kvasipartikler med potentielt eksotiske kvanteegenskaber.

Meget vanskeligt at forudsige teoretisk, emergens udfordrer ofte vores grundlæggende forståelse af, hvordan partikler opfører sig. For eksempel, da alle to elektroner har samme ladning, vi tænker på elektroner som objekter, der ønsker at frastøde hinanden. Imidlertid, i et superledende metal, elektroner parrer sig uventet, danner et nyt objekt kendt som et bødkerpar. Individuelle elektroner spredes, når de bevæger sig gennem et metal, giver anledning til modstand, men spontant dannede bødkerpar opfører sig kollektivt på en sådan måde, at de bevæger sig gennem materialet helt uden modstand.

"Tænk på at prøve at finde vej gennem en folkemængde ved en rockkoncert, hvor alle danser med en masse energi og konstant støder ind i dig, sammenlignet med et balsal dansegulv, hvor par af dansere alle bevæger sig i det samme, omhyggeligt koreograferet måde, og det er nemt at undgå hinanden, " siger Dean. "En af grundene til, at den lige-nævner fraktionelle kvante Hall-effekt er så fascinerende, er, at dens oprindelse menes at være meget lig den for en superleder, men, i stedet for blot at danne bødkerpar, en helt ny slags kvantepartikel dukker op."

Ifølge kvantemekanikken, elementarpartikler falder i to kategorier, Fermioner og bosoner, og opfører sig på meget forskellige måder. To fermioner, såsom elektroner, kan ikke indtage samme stat, det er derfor, for eksempel, elektronerne i atomer fylder på hinanden følgende orbitaler. Bosoner, såsom fotoner, eller partikler af lys, kan indtage samme stat, giver dem mulighed for at virke sammenhængende som i lysudsendelsen fra en laser. Når to identiske partikler ombyttes, den kvantemekaniske bølgefunktion, der beskriver deres kombinerede tilstand, ganges med en fasefaktor på 1 for bosoner, og -1 for fermioner.

Kort efter opdagelsen af ​​den fraktionelle kvantehal-effekt, det blev foreslået af teoretiske grunde, at de kvasipartikler, der er forbundet med denne tilstand, hverken opfører sig som bosoner eller fermioner, men i stedet det, der kaldes en anyon:når anyon kvasipartikler ombyttes, fasefaktoren er hverken 1 eller -1, men er fraktioneret. På trods af flere årtiers indsats, der er stadig intet afgørende eksperimentelt bevis, der bekræfter, at disse kvasipartikler er nogen. Den 5/2-stat, en ikke-abelsk nogen, menes at være endnu mere eksotisk. I teorien, ikke-abelske anyoner adlyder anyonisk statistik som i andre fraktionelle kvante Hall-tilstande, men med den særlige egenskab, at denne fase ikke bare kan fortrydes ved at vende processen. Denne manglende evne til blot at afvikle fasen ville gøre enhver information lagret i systemet unikt stabil, og det er grunden til, at mange mennesker tror, ​​at 5/2 kunne være en god kandidat til kvanteberegning.

"Demonstration af de forudsagte 5/2-statistikker ville repræsentere en enorm præstation, " siger Dean. "I mange henseender, dette ville bekræfte, at ved at fremstille et materialesystem med den helt rigtige tykkelse og det rigtige antal elektroner, og derefter anvende de helt rigtige magnetfelter, vi kunne effektivt konstruere fundamentalt nye klasser af partikler, med egenskaber, der ellers ikke findes blandt kendte partikler, der naturligt findes i universet. Vi har stadig ingen afgørende beviser for, at 5/2-staten udviser ikke-abelske egenskaber, men vores opdagelse af denne tilstand i tolagsgrafen åbner spændende nye muligheder for at teste disse teorier."

Indtil nu, alle disse forhold har skullet være ikke kun lige rigtige, men også ekstreme. I konventionelle halvledere, ligenævnertilstande er meget svære at isolere, og eksisterer kun for ultrarene materialer, ved ekstremt lave temperaturer og høje magnetfelter. Mens visse træk ved staten har været observerbare ved at udtænke eksperimenter, der kunne undersøge staten uden at ødelægge den, har været udfordrende.

"Vi havde brug for en ny platform, " siger Hone. "Med den vellykkede isolering af grafen, disse atomisk tynde lag af kulstofatomer dukkede op som en lovende platform for studiet af elektroner i 2D generelt. En af nøglerne er, at elektroner i grafen interagerer endnu stærkere end i konventionelle 2D elektronsystemer, teoretisk gør effekter som ligenævnertilstanden endnu mere robuste. Men mens der har været forudsigelser om, at tolagsgrafen kunne være vært for de længe søgte ligenævnertilstande, ved højere temperaturer end tidligere set, disse forudsigelser er ikke blevet realiseret, primært på grund af vanskeligheden ved at gøre grafen rent nok."

Columbia-teamet byggede på mange års banebrydende arbejde for at forbedre kvaliteten af ​​grafenenheder, skabe ultra-rene enheder udelukkende af atomisk flade 2D-materialer:tolagsgrafen til den ledende kanal, sekskantet bornitrid som en beskyttende isolator, og grafit brugt til elektriske forbindelser og som en ledende port til at ændre ladningsbærerens tæthed i kanalen.

En afgørende komponent i forskningen var at have adgang til værktøjerne med høje magnetiske felter, der er tilgængelige på National High Magnetic Field Laboratory i Tallahassee, Fla., en nationalt finansieret brugerfacilitet, som Hone og Dean har haft omfattende samarbejder med. De studerede den elektriske ledning gennem deres enheder under magnetiske felter op til 34 Tesla, og opnåede klar observation af lige-nævner-tilstandene.

"Ved at vippe prøven i forhold til magnetfeltet, vi var i stand til at give en ny bekræftelse på, at denne FQH-tilstand har mange af de egenskaber, som teorien forudsiger, såsom at være spin-polariseret, " siger Jia Li, papirets hovedforfatter og post-doc-forsker, der arbejder med Dean og Hone. "Vi opdagede også, at i tolagsgrafen, denne tilstand kan manipuleres på måder, der ikke er mulige i konventionelle materialer."

Columbia-holdets resultat, som demonstrerer måling i transport - hvordan elektroner flyder i systemet - er et afgørende skridt fremad mod at bekræfte den mulige eksotiske oprindelse af den lige nævnertilstand. Deres resultater rapporteres samtidig med en lignende rapport fra en forskergruppe ved University of California, Santa Barbara. UCSB-undersøgelsen observerede den lige nævnertilstand ved kapacitansmåling, som undersøger eksistensen af ​​et elektrisk mellemrum forbundet med tilstandens begyndelse.

Holdet forventer, at de robuste målinger, de nu har observeret i tolagsgrafen, vil muliggøre nye eksperimenter, der definitivt kan bevise dens ikke-abelske natur. Når dette er etableret, holdet håber at begynde at demonstrere beregning ved hjælp af den lige nævnertilstand.

"I mange årtier har man nu troet, at hvis 5/2-staten faktisk repræsenterer en ikke-abelsk nogen, det kunne teoretisk revolutionere bestræbelserne på at bygge en kvantecomputer, " Dean bemærker. "Tidligere, imidlertid, de ekstreme forhold, der er nødvendige for overhovedet at se staten, endsige bruge det til beregning, var altid et stort problem med praktiske forhold. Vores resultater i tolagsgrafen tyder på, at denne drøm måske nu faktisk ikke er så langt fra virkeligheden."