Sporing af kvantefænomener i 2D-grafen

I de senere år er et fænomen kaldet kvante-Hall-effekten dukket op som en platform til at hoste eksotiske funktioner kaldet kvasipartikler, med egenskaber, der kan føre til spændende applikationer inden for områder som kvanteberegning. Når et stærkt magnetisk felt påføres et 2D-materiale eller en gas, er elektronerne ved grænsefladen, i modsætning til dem inden for bulken, frie til at bevæge sig langs kanterne i det, der kaldes kanttilstande eller kanaler - noget ligner motorvejsbaner. Denne kantbevægelse, som er essensen af ​​kvante Hall-effekten, kan føre til mange interessante egenskaber afhængigt af materialet og forholdene.

For konventionelle elektroner flyder strømmen kun i én retning dikteret af magnetfeltet ('nedstrøms'). Imidlertid har fysikere forudsagt, at nogle materialer kan have mod-udbredende kanaler, hvor nogle kvasipartikler også kan bevæge sig i den modsatte ('opstrøms') retning. Selvom disse opstrøms kanaler er af stor interesse for videnskabsmænd, fordi de kan være vært for en række nye slags kvasipartikler, har de været ekstremt vanskelige at identificere, fordi de ikke bærer nogen elektrisk strøm.

I en ny undersøgelse giver forskere fra Indian Institute of Science (IISc) og internationale samarbejdspartnere "rygende pistol" beviser for tilstedeværelsen af ​​opstrøms tilstande, langs hvilke visse neutrale kvasipartikler bevæger sig i to-lags grafen. For at detektere disse tilstande eller kanaler brugte holdet en ny metode, der anvender elektrisk støj - udsving i udgangssignalet forårsaget af varmeafledning.

"Selvom opstrøms excitationerne er ladningsneutrale, kan de bære varmeenergi og producere en støjplet langs opstrømsretningen," forklarer Anindya Das, lektor ved Institut for Fysik og tilsvarende forfatter til undersøgelsen offentliggjort i Nature Communications .

Kvasipartikler er stort set excitationer, der opstår, når elementære partikler som elektroner interagerer indbyrdes eller med stof omkring dem. De er ikke rigtig partikler, men har lignende partikler som masse og ladning. Det enkleste eksempel er et 'hul' - en ledig plads, hvor en elektron mangler i en given energitilstand i en halvleder. Den har en modsat ladning til elektronen og kan bevæge sig inde i et materiale ligesom elektronen gør. Par af elektroner og huller kan også danne kvasipartikler, som kan forplante sig langs kanten af ​​materialet.

I tidligere undersøgelser har forskerne vist, at det måske er muligt at påvise emergente kvasipartikler som Majorana-fermioner i grafen; håbet er at udnytte sådanne kvasipartikler til i sidste ende at bygge fejltolerante kvantecomputere. For at identificere og studere sådanne partikler er det afgørende at detektere opstrømstilstande, der kan være vært for dem. Selvom sådanne opstrømstilstande er blevet opdaget tidligere i gallium-arsenid-baserede systemer, er ingen blevet identificeret indtil videre i grafen og grafen-baserede materialer, som giver meget mere lovende, når det kommer til futuristiske applikationer.

I den aktuelle undersøgelse, da forskerne anvendte et elektrisk potentiale på kanten af ​​to-lags grafen, fandt de ud af, at varme kun blev transporteret i de opstrøms kanaler og spredt ved visse "hotspots" i den retning. På disse steder genererede varmen elektrisk støj, der kunne opfanges af et elektrisk resonanskredsløb og spektrumanalysator.

Forfatterne fandt også, at bevægelsen af ​​disse kvasipartikler i opstrømskanalerne var "ballistisk" - varmeenergi strømmede fra et hotspot til et andet uden tab - i modsætning til den "diffusive" transport, der tidligere blev observeret i gallium-arsenid-baserede systemer. En sådan ballistisk bevægelse er også tegn på tilstedeværelsen af ​​eksotiske tilstande og funktioner, der kan hjælpe med at bygge energieffektive og fejlfrie kvantekomponenter i fremtiden, ifølge forfatterne. + Udforsk yderligere

Eksotiske kvantepartikler – mindre magnetfelt påkrævet