Nieuwe grafeendoorbraak van MIT geeft vorm aan de toekomst van quantum computing

Het gedeeltelijke kwantum-Hall-effect is over het algemeen waargenomen onder zeer hoge magnetische velden, maar MIT-natuurkundigen hebben het nu waargenomen in eenvoudig grafeen. In een vijflaags superrooster van grafeen/hexagonaal boornitride (hBN) werken elektronen (blauwe bal) sterk met elkaar samen en gedragen zich alsof ze in fractionele ladingen zijn verdeeld. Krediet: Sampson Wilcox, RLE

Vreemde elektronische toestand opgemerkt Massachusetts Institute of Technology Natuurkundigen kunnen krachtigere vormen van… Kwantitatieve statistieken.

Het elektron is de basiseenheid van elektriciteit, omdat het een enkele negatieve lading draagt. Dit is wat we leerden op de natuurkunde op de middelbare school, en dit is in overweldigende mate het geval bij de meeste vakken in de natuur.

Maar in zeer bijzondere toestanden van materie kunnen elektronen zich splitsen in delen van hun gehele totaal. Dit fenomeen, bekend als ‘gedeeltelijke lading’, is uiterst zeldzaam, en als het in de val kan worden gelokt en onder controle kan worden gehouden, zou de exotische elektronische toestand kunnen helpen bij het bouwen van flexibele, fouttolerante kwantumcomputers.

Tot nu toe is dit effect, bij natuurkundigen bekend als het ‘fractionele kwantum Hall-effect’, vele malen waargenomen, meestal onder zeer hoge en zorgvuldig onderhouden magnetische velden. Pas onlangs hebben wetenschappers het effect ontdekt in een materiaal dat niet zo'n sterke magnetische manipulatie vereist.

Nu hebben natuurkundigen van MIT het ongrijpbare gedeeltelijke ladingseffect waargenomen, dit keer in een eenvoudiger materiaal: vijf lagen van… Grafeen – Dat maïs– Een dun laagje koolstof ontstaat uit grafiet en gewoon lood. Ze rapporteerden hun bevindingen op 21 februari in het tijdschrift natuur.

Teamfoto. Van links naar rechts: Long Ju, postdoctoraal onderzoeker Zhengguang Lu, op bezoek bij student Yuxuan Yao, afgestudeerde student Tonghang Huang. Krediet: Jixiang Yang

Ze ontdekten dat wanneer vijf vellen grafeen als de sporten van een ladder worden gestapeld, de resulterende structuur inherent de juiste omstandigheden biedt waar elektronen doorheen kunnen gaan als onderdeel van hun totale lading, zonder dat er een extern magnetisch veld nodig is.

De resultaten zijn het eerste bewijs van een ‘gedeeltelijk kwantum-abnormaal Hall-effect’ (‘abnormaal’ verwijst naar de afwezigheid van een magnetisch veld) in kristallijn grafeen, een materiaal waarvan natuurkundigen niet hadden verwacht dat het dit effect zou vertonen.

“Dit vijflaagse grafeen is een materiaalsysteem waarin veel goede verrassingen voorkomen”, zegt studieauteur Long Ju, assistent-professor natuurkunde aan het MIT. ‘Fractionele lading is heel vreemd, en nu kunnen we dit effect bereiken met een veel eenvoudiger systeem en zonder magnetisch veld. Dit is op zichzelf belangrijk voor de fundamentele natuurkunde. Het zou de mogelijkheid kunnen openen voor een soort kwantumcomputers die robuuster zijn. tegen overlast.”

Co-auteurs bij MIT zijn onder meer hoofdauteur Zhengguang Lu, Tonghang Han, Yuxuan Yao, Aidan Reddy, Jixiang Yang, Junseok Seo en Liang Fu, samen met Kenji Watanabe en Takashi Taniguchi van het National Institute of Materials Science in Japan.

Vreemd land

Het gedeeltelijke quantum Hall-effect is een voorbeeld van de vreemde verschijnselen die kunnen ontstaan ​​wanneer deeltjes zich niet meer als individuele eenheden gedragen, maar zich als geheel gedragen. Dit collectieve ‘coherente’ gedrag komt voor in speciale gevallen, bijvoorbeeld wanneer elektronen worden afgeremd van hun normaal hectische snelheid naar een kruipsnelheid die moleculen in staat stelt elkaar waar te nemen en met elkaar te interacteren. Deze interacties kunnen zeldzame elektronische toestanden veroorzaken, zoals een onconventionele splitsing van de elektronenlading.

In 1982 ontdekten wetenschappers het gedeeltelijke kwantum-Hall-effect in heterostructuren van galliumarsenide, waarbij een gas van elektronen opgesloten in een tweedimensionaal vlak onder hoge magnetische velden wordt gehouden. Deze ontdekking leidde er later toe dat de groep de Nobelprijs voor de natuurkunde ontving.

“[The discovery] “Dit was een heel groot probleem, omdat de interactie tussen deze ladingseenheden op een manier die zoiets als een fractionele lading opleverde heel vreemd was”, zegt Joe. “Destijds bestonden er nog geen theoretische voorspellingen en de experimenten verrasten iedereen.”

Deze onderzoekers bereikten hun baanbrekende resultaten door magnetische velden te gebruiken om de elektronen van een materiaal voldoende te vertragen zodat ze konden interageren. De velden waarmee ze werkten waren ongeveer tien keer sterker dan de velden die normaal gesproken een MRI-machine aandrijven.

In augustus 2023 ontdekten wetenschappers van universiteit van Washington Hij rapporteerde het eerste bewijs van het bestaan ​​van gedeeltelijke lading zonder magnetisch veld. Ze observeerden deze “afwijkende” versie van het effect, in een gedraaide halfgeleider genaamd molybdeen ditelluride. De groep bereidde het materiaal voor met een specifieke configuratie, waarvan theoretici voorspelden dat het het materiaal een inherent magnetisch veld zou geven, voldoende om elektronen aan te moedigen uit elkaar te splitsen zonder enige externe magnetische controle.

Het ‘geen magneet’-resultaat heeft een veelbelovende weg geopend naar topologische kwantumcomputing – een veiligere vorm van kwantumcomputing, waarbij de extra component van de topologie (een eigenschap die onveranderd blijft in geval van vervorming of zwakke verstoring) extra bescherming biedt voor de qubit bij het uitvoeren van een berekening. Dit berekeningsschema is gebaseerd op een combinatie van een gedeeltelijk kwantum-Hall-effect en supergeleiding. Het was bijna onmogelijk om dit te realiseren: je hebt een sterk magnetisch veld nodig om een ​​gedeeltelijke lading te krijgen, terwijl hetzelfde magnetische veld normaal gesproken een supergeleider doodt. In dit geval zouden de fractionele kosten een qubit zijn (de basiseenheid van een kwantumcomputer).

Stappen zetten

In dezelfde maand merkten Gu en zijn team ook tekenen op van een abnormale gedeeltelijke lading in grafeen, een materiaal waarvan niet werd verwacht dat het een dergelijk effect zou vertonen.

Gu's groep heeft elektronisch gedrag in grafeen onderzocht, dat op zichzelf uitzonderlijke eigenschappen heeft aangetoond. Onlangs heeft Gu's groep onderzoek gedaan naar vijflaags grafeen, een structuur die bestaat uit vijf grafeenvellen, elk iets uit elkaar gestapeld, zoals de sporten van een ladder. Deze vijfhoekige grafeenstructuur is ingebed in grafiet en kan worden verkregen door exfoliatie met plakband. Wanneer ze bij zeer lage temperaturen in een vriezer worden geplaatst, vertragen de elektronen van de structuur en reageren ze op een manier die ze normaal niet zouden doen als ze rondzwerven bij hogere temperaturen.

In hun nieuwe werk voerden de onderzoekers enkele berekeningen uit en ontdekten dat de elektronen sterker met elkaar zouden kunnen interageren als de vijfhoekige laagstructuur uitgelijnd was met hexagonaal boornitride (hBN) – een materiaal met een atomaire structuur vergelijkbaar met die van grafeen, maar met iets andere afmetingen. Gecombineerd zouden de twee materialen een superrooster moeten produceren, een complexe steigerachtige atomaire structuur die de beweging van elektronen kan vertragen op manieren die een magnetisch veld nabootsen.

“We hebben deze berekeningen gemaakt en toen dachten we: laten we het doen”, zegt Joe, die afgelopen zomer toevallig in zijn laboratorium aan het MIT een nieuwe verdunningskoelkast had geïnstalleerd, die het team van plan was te gebruiken om materialen tot extreem lage temperaturen te koelen. temperaturen. Elektronisch gedrag.

De onderzoekers vervaardigden twee monsters van de hybride grafeenstructuur door eerst lagen grafeen van een blok grafiet af te pellen en vervolgens optische hulpmiddelen te gebruiken om de vijflaagse vlokken in een gegradueerde configuratie te identificeren. Vervolgens stempelden ze de grafeenwafel op een hBN-wafel en plaatsten een tweede hBN-wafel bovenop de grafeenstructuur. Ten slotte bevestigden ze elektroden op de structuur, plaatsten deze in een vriezer en plaatsten deze vervolgens in de directe nabijheid Absolute nulpunt.

Toen ze een stroom op het materiaal toepasten en de uitgangsspanning maten, begonnen ze de kenmerken van fractionele lading te zien, waarbij spanning gelijk is aan stroom vermenigvuldigd met een fractioneel getal en enkele fysieke basisconstanten.

“De dag dat we hem zagen, herkenden we hem eerst niet”, zegt eerste auteur Lu. “Toen begonnen we te schreeuwen toen we beseften dat dit echt een groot probleem was. Het was een volkomen verrassend moment.”

“Dit waren waarschijnlijk de eerste serieuze monsters die we in de nieuwe koelkast stopten”, voegt co-eerste auteur Hahn toe. Toen we eenmaal gekalmeerd waren, keken we naar de details om er zeker van te zijn dat wat we zagen echt was.

Met verdere analyse bevestigde het team dat de grafeenstructuur inderdaad een gedeeltelijk kwantum-abnormaal Hall-effect vertoonde. Dit is de eerste keer dat dit effect is aangetoond in grafeen.

“Grafeen zou ook een supergeleider kunnen zijn”, zegt Gu. “Je kunt dus twee totaal verschillende effecten in hetzelfde materiaal naast elkaar hebben. Als je grafeen gebruikt om met grafeen te praten, vermijd je veel ongewenste effecten als je grafeen aan andere materialen bindt.”

Momenteel blijft het team meerlaags grafeen onderzoeken voor andere zeldzame elektronische toestanden.

“We duiken erin om veel fundamentele natuurkundige ideeën en toepassingen te onderzoeken”, zegt hij. “We weten dat er nog meer zullen volgen.”

Referentie: “Gedeeltelijk kwantum afwijkend Hall-effect in meerlaags grafeen” door Zhengguang Lu, Tonghang Han, Yuxuan Yao, Aidan P. Reddy, Jixiang Yang, Junseok Seo, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Liang Fu en Long Ju, 21 februari 2024, natuur.
doi: 10.1038/s41586-023-07010-7

Dit onderzoek wordt gedeeltelijk ondersteund door de Sloan Foundation en de National Science Foundation.