2-D halvledere viste sig at være tæt på den ideelle fraktionelle kvante Hall-platform

Columbia University-forskere rapporterer, at de har observeret en kvantevæske kendt som de fraktionelle kvante-halltilstande (FQHS), en af ​​de mest sarte faser af materien, for første gang i en monolag 2-D halvleder. Deres resultater demonstrerer den fremragende iboende kvalitet af 2-D halvledere og etablerer dem som en unik testplatform for fremtidige applikationer inden for kvanteberegning. Undersøgelsen blev offentliggjort online i dag i Natur nanoteknologi .

"Vi var meget overraskede over at observere denne tilstand i 2-D halvledere, fordi det generelt er blevet antaget, at de er for beskidte og uordnede til at være vært for denne effekt, " siger Cory Dean, professor i fysik ved Columbia University. "I øvrigt, FQHS-sekvensen i vores eksperiment afslører uventet og interessant ny adfærd, som vi aldrig har set før, og antyder faktisk, at 2-D halvledere er tæt på ideelle platforme til at studere FQHS yderligere."

Den fraktionelle kvante Hall-tilstand er et kollektivt fænomen, der opstår, når forskere begrænser elektroner til at bevæge sig i et tyndt todimensionalt plan, og udsætte dem for store magnetfelter. Først opdaget i 1982, den fraktionelle kvante Hall-effekt er blevet undersøgt i mere end 40 år, men der er stadig mange grundlæggende spørgsmål. En af grundene til dette er, at staten er meget skrøbelig og kun forekommer i de reneste materialer.

"Observation af FQHS ses derfor ofte som en væsentlig milepæl for et 2-D-materiale - en som kun de allerreneste elektroniske systemer har nået, "bemærker Jim Hone, Wang Fong-Jen professor i maskinteknik ved Columbia Engineering.

Mens grafen er det bedst kendte 2D-materiale, en stor gruppe af lignende materialer er blevet identificeret i løbet af de sidste 10 år, som alle kan eksfolieres ned til en enkelt lag tykkelse. En klasse af disse materialer er transition metal dichalcogenides (TMD), såsom WSe2, materialet brugt i denne nye undersøgelse. Ligesom grafen, de kan skrælles for at være atom tynde, men, i modsætning til grafen, deres egenskaber under magnetfelter er meget enklere. Udfordringen har været, at krystalkvaliteten af ​​TMD'er ikke var særlig god.

"Lige siden TMD kom på scenen, det har altid været tænkt som et snavset materiale med mange fejl, " siger Hone, hvis gruppe har foretaget væsentlige forbedringer af kvaliteten af ​​TMD'er, skubbe det til en kvalitet tæt på grafen - ofte betragtet som den ultimative standard for renhed blandt 2-D materialer.

Ud over prøvekvaliteten, undersøgelser af halvleder 2-D materialer er blevet hindret af vanskelighederne med at skabe god elektrisk kontakt. For at løse dette, Columbia-forskerne har også udviklet evnen til at måle elektroniske egenskaber ved kapacitans, frem for de konventionelle metoder til at strømme en strøm og måle modstanden. En stor fordel ved denne teknik er, at målingen er mindre følsom både over for dårlig elektrisk kontakt og over for urenheder i materialet. Målingerne til denne nye undersøgelse blev udført under meget store magnetiske felter - som hjælper med at stabilisere FQHS - på National High Magnetic Field Lab.

"De brøktal, der karakteriserer den FQHS, vi observerede - forholdet mellem partikel og magnetisk fluxtal - følger en meget simpel sekvens, " siger Qianhui Shi, papirets første forfatter og en postdoktoral forsker ved Columbia Nano Initiative. "Den simple sekvens er i overensstemmelse med generiske teoretiske forventninger, men alle tidligere systemer viser mere kompleks og uregelmæssig adfærd. Dette fortæller os, at vi endelig har en næsten ideel platform for studiet af FQHS, hvor eksperimenter direkte kan sammenlignes med simple modeller. "

Blandt brøktallene, en af ​​dem har en lige nævner. "At observere den fraktionelle kvante Hall-effekt var i sig selv overraskende, at se lige-nævneren tilstand i disse enheder var virkelig forbløffende, da denne tilstand tidligere kun er blevet observeret i de allerbedste af de bedste enheder, " siger Dean.

Fraktionelle tilstande med lige nævnere har fået særlig opmærksomhed siden deres første opdagelse i slutningen af ​​1980'erne, da de menes at repræsentere en ny slags partikel, en med kvanteegenskaber forskellige fra enhver anden kendt partikel i universet. "De unikke egenskaber ved disse eksotiske partikler, " bemærker Zlatko Papic, lektor i teoretisk fysik ved University of Leeds, "kan bruges til at designe kvantecomputere, der er beskyttet mod mange fejlkilder."

Indtil nu, eksperimentelle bestræbelser på både at forstå og udnytte de lige nævnertilstande har været begrænset af deres ekstreme følsomhed og det ekstremt lille antal materialer, hvori denne tilstand kunne findes. "Dette gør opdagelsen af ​​den lige nævnertilstand i en ny - og anderledes - materiel platform, virkelig meget spændende, "Tilføjer Dean.

De to Columbia University laboratorier - Dean Lab og Hone Group - arbejdede i samarbejde med NIMS Japan, som leverede nogle af materialerne, og Papic, hvis gruppe udførte beregningsmodellering af eksperimenterne. Begge Columbia-laboratorier er en del af universitetets Material Research Science and Engineering Center. Dette projekt brugte også renrumsfaciliteter på både Columbia Nano Initiative og City College. Målinger ved store magnetfelter blev foretaget på National High Magnetic Field Laboratory, en brugerfacilitet finansieret af National Science Foundation og med hovedkontor ved Florida State University i Tallahassee, Fl.

Nu hvor forskerne har meget rene 2D-halvledere samt en effektiv sonde, de udforsker andre interessante tilstande, der dukker op fra disse 2-D platforme.