Нов графенов пробив от MIT оформя бъдещето на квантовите изчисления

Забелязано е странно електронно състояние Масачузетски институт по технологии Физиците могат да активират по-мощни форми на Количествена статистика.

Електронът е основната единица на електричеството, тъй като носи единичен отрицателен заряд. Това сме учили в гимназията по физика и това е преобладаващо така в повечето предмети сред природата.

Но в много специални състояния на материята, електроните могат да се разделят на части от цялото им общо количество. Това явление, известно като „частичен заряд“, е изключително рядко и ако може да бъде уловено и контролирано, екзотичното електронно състояние може да помогне за изграждането на гъвкави, устойчиви на грешки квантови компютри.

Досега този ефект, известен на физиците като „частичния квантов ефект на Хол“, е наблюдаван много пъти, най-вече при много високи и внимателно поддържани магнитни полета. Едва наскоро учените откриха ефекта в материал, който не изисква толкова силна магнитна манипулация.

Сега физици от MIT са наблюдавали неуловимия ефект на частичен заряд, този път в по-прост материал: пет слоя от… Графен – че царевица– Тънък слой въглерод произхожда от графит и обикновено олово. Те съобщиха за откритията си на 21 февруари в списанието природа.

Снимка на отбора. Отляво надясно: Long Ju, постдокторант Zhengguang Lu, гостуващ студент Yuxuan Yao, студент Tonghang Huang. Кредит: Jixiang Yang

Те откриха, че когато пет листа графен са подредени като стъпалата на стълба, получената структура по своята същност осигурява правилните условия за преминаване на електроните като части от общия им заряд, без необходимост от външно магнитно поле.

Резултатите са първото доказателство за „частичен квантов аномален ефект на Хол“ („аномален“ се отнася до липсата на магнитно поле) в кристален графен, материал, който физиците не са очаквали да прояви този ефект.

„Този ​​петслоен графен е материална система, в която се случват много добри изненади“, казва авторът на изследването Лонг Джу, асистент професор по физика в MIT. „Дробният заряд е много странен и сега можем да постигнем този ефект, използвайки много по-проста система и без магнитно поле. Това само по себе си е важно за фундаменталната физика. Може да отвори възможността за вид квантово изчисление, което е по-стабилно срещу безпокойство.“

Съавторите в MIT включват водещия автор Zhengguang Lu, Tonghang Han, Yuxuan Yao, Aidan Reddy, Jixiang Yang, Junseok Seo и Liang Fu, заедно с Kenji Watanabe и Takashi Taniguchi от Националния институт по материалознание в Япония.

Странна страна

Частичният квантов ефект на Хол е пример за странните явления, които могат да възникнат, когато частиците преминат от поведение като отделни единици към поведение заедно като цяло. Това колективно „кохерентно“ поведение се появява в специални случаи, например когато електроните се забавят от нормално неистовата си скорост до пълзене, което позволява на молекулите да се усещат една друга и да си взаимодействат. Тези взаимодействия могат да произведат редки електронни състояния, като например неконвенционално разделяне на заряда на електрона.

През 1982 г. учените откриха частичния квантов ефект на Хол в хетероструктури от галиев арсенид, в които газ от електрони, ограничен в двуизмерна равнина, се задържа под силни магнитни полета. Това откритие по-късно доведе до получаването на Нобелова награда за физика от групата.

„[The discovery] „Това беше много голям проблем, защото взаимодействието на тези зарядни единици по начин, който даде нещо като частичен заряд, беше много странно“, казва Джо. „По това време нямаше теоретични прогнози и експериментите изненадаха всички.“

Тези изследователи постигнаха своите пионерски резултати, като използваха магнитни полета, за да забавят електроните на даден материал достатъчно, за да си взаимодействат. Полетата, с които са работили, са около 10 пъти по-силни от тези, които обикновено захранват машина за ЯМР.

През август 2023 г. учени от Университет на Вашингтон Той докладва първите доказателства за съществуването на частичен заряд без магнитно поле. Те наблюдават тази „аномална“ версия на ефекта в усукан полупроводник, наречен молибденов дителлурид. Групата подготви материала със специфична конфигурация, която теоретиците прогнозираха, че ще даде на материала присъщо магнитно поле, достатъчно, за да насърчи електроните да се разделят без никакъв външен магнитен контрол.

Резултатът „без магнит“ отвори обещаващ път към топологичното квантово изчисление – по-безопасна форма на квантово изчисление, където допълнителният компонент на топологията (свойство, което остава непроменено в лицето на изкривяване или слабо смущение) осигурява допълнителна защита за кубита при извършване на изчисление. Тази изчислителна схема се основава на комбинация от частичен квантов ефект на Хол и свръхпроводимост. Беше почти невъзможно да се осъзнае това: човек се нуждае от силно магнитно поле, за да получи частичен заряд, докато същото магнитно поле обикновено би убило свръхпроводник. В този случай дробните заряди биха били кубит (основната единица на квантов компютър).

Правене на стъпки

През същия месец Гу и неговият екип случайно забелязаха признаци на аномален частичен заряд в графена, материал, който не се очакваше да покаже такъв ефект.

Групата на Гу изследва електронното поведение в графена, който сам по себе си демонстрира изключителни свойства. Наскоро групата на Гу изследва петслоен графен, структура, съставена от пет графенови листа, всеки подреден леко отделно от другите, като стъпалата на стълба. Тази петоъгълна графенова структура е вградена в графит и може да се получи чрез отлепване със скоч лента. Когато се поставят в хладилник при много ниски температури, електроните на структурата се забавят до пълзене и реагират по начини, по които обикновено не биха, когато се движат наоколо при по-високи температури.

В новата си работа изследователите извършиха някои изчисления и установиха, че електроните могат да взаимодействат помежду си по-силно, ако структурата на пентагоналния слой е подравнена с хексагонален борен нитрид (hBN) – материал с атомна структура, подобна на тази на графена, но с малко по-различни размери. Комбинирани, двата материала трябва да произведат суперрешетка, сложна подобна на скеле атомна структура, която може да забави движението на електрони по начини, които имитират магнитно поле.

„Направихме тези изчисления и след това си помислихме „Да го направим“, казва Джо, който случайно е инсталирал нов хладилник за разреждане в лабораторията си в Масачузетския технологичен институт миналото лято, който екипът планира да използва за охлаждане на материалите до изключително ниски температури. температури. Електронно поведение.

Изследователите изработиха две проби от хибридната графенова структура, като първо отлепиха слоеве графен от блок графит, след което използваха оптични инструменти, за да идентифицират петслойните люспи в градуирана конфигурация. След това те щамповат графеновата пластина върху hBN пластина и поставят втора hBN пластина върху графеновата структура. Накрая те прикрепиха електроди към структурата и я поставиха във фризер, след което я поставиха в непосредствена близост Абсолютна нула.

Когато приложиха ток към материала и измериха изходното напрежение, те започнаха да виждат признаците на частичен заряд, където напрежението е равно на тока, умножено по дробно число и някои основни физически константи.

„В деня, когато го видяхме, отначало не го разпознахме“, казва първият автор Лу. „Тогава започнахме да крещим, когато разбрахме, че това е наистина голяма работа. Беше напълно изненадващ момент.“

„Това вероятно бяха първите сериозни проби, които поставихме в новия хладилник“, добавя съавторът Хан. След като се успокоихме, разгледахме подробностите, за да сме сигурни, че това, което виждаме, е истинско.

С допълнителен анализ екипът потвърди, че структурата на графена наистина показва частичен квантов аномален ефект на Хол. Това е първият път, когато този ефект е показан в графен.

„Графенът може да бъде и свръхпроводник“, казва Гу. „Така че можете да имате два напълно различни ефекта в един и същ материал, един до друг. Ако използвате графен, за да говорите с графен, това избягва много нежелани ефекти, когато свързвате графен с други материали.“

В момента екипът продължава да изследва многослоен графен за други редки електронни състояния.

„Ние се гмуркаме, за да изследваме много фундаментални идеи и приложения във физиката“, казва той. „Знаем, че ще има още.“

Справка: „Частичен квантов аномален ефект на Хол в многослоен графен“ от Zhengguang Lu, Tonghang Han, Yuxuan Yao, Aidan P. Reddy, Jixiang Yang, Junseok Seo, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Liang Fu и Long Ju, 21 февруари 2024 г., природа.
doi: 10.1038/s41586-023-07010-7

Това изследване е подкрепено отчасти от Фондация Слоун и Националната научна фондация.