Elektroneja murto-osina grafeenissa

Hyvin erityisissä aineen olomuodoissa elektronit voivat sirpaloitua murto-osiksi kokonaisuudestaan. Tällainen "fraktiovaraus" -ilmiö on äärimmäisen harvinainen, ja jos sitä voitaisiin hillitä ja hallita, eksoottinen elektroninen tila voisi auttaa rakentamaan joustavia ja vikasietoisia kvanttitietokoneita.

Tähän mennessä tämä "fraktio kvantti Hall-ilmiö", on havaittu muutamia kertoja, ja enimmäkseen erittäin korkeissa, huolellisesti ylläpidetyissä magneettikentissä. Vasta äskettäin tiedemiehet ovat nähneet vaikutuksen materiaalissa, joka ei vaatinut niin voimakasta magneettista käsittelyä.

Nyt MIT:n fyysikot ovat havainneet tämän vaikeasti havaittavan murtovarausilmiön, tällä kertaa yksinkertaisemmassa materiaalissa: viiden grafeenikerroksen paketissa.

He havaitsivat, että viiden grafeeniarkin porrasmainen pino tarjoaa luonnostaan juuri oikeat olosuhteet elektroneille kulkea niiden läpi kokonaisvarauksen murto-osina ilman, että ulkoista magneettikenttää tarvitaan.

"Tämä viisikerroksinen grafeeni on materiaalijärjestelmä, jossa tapahtuu monia hyviä yllätyksiä", sanoo tutkimuksen kirjoittaja Long Ju. ”Fraktiovaraus on vain niin eksoottista, ja nyt voimme toteuttaa tämän vaikutuksen paljon yksinkertaisemmalla järjestelmällä ja ilman magneettikenttää. Se on sinänsä tärkeää perusfysiikan kannalta. Ja se voisi mahdollistaa sellaisen kvanttilaskennan, joka on kestävämpi häiriöitä vastaan."

Lisäksi tutkijat tekivät laskelmia ja havaitsivat, että elektronit voisivat olla vuorovaikutuksessa toistensa kanssa vieläkin voimakkaammin, jos viisikerrosrakenteeseen kohdistetaan kuusikulmaista boorinitridiä (hBN). Yhdessä vuorotellen grafeenin kanssa näiden pitäisi tuottaa moiré-superhila - monimutkainen, atomirakenne, joka voisi hidastaa elektroneja magneettikenttää matkivilla tavoilla.

Kun he kohdistavat virran materiaaliin ja mittasivat jännitelähtöä, havaittiin murtovarauksen ominaisuuksia, joissa jännite on yhtä suuri kuin virta kerrottuna murtoluvulla ja joillain fysiikan perusvakioilla.

Lisäanalyysillä ryhmä vahvisti, että grafeenirakenne todellakin osoitti kvanttipoikkeavaa Hall-ilmiötä. Tämä on ensimmäinen kerta, kun vaikutus on havaittu grafeenissa.

"Grafeeni voi olla myös suprajohde", Ju sanoo. "Joten, sinulla voi olla kaksi täysin erilaista tehostetta samassa materiaalissa, aivan vierekkäin.

Näiden ilmiöiden havainnointi rikastuttaa topologisten ainefaasien perhettä ja avaa uusia mahdollisuuksia kvanttilaskennassa ja toistaiseksi ryhmä jatkaa monikerroksisen grafeenin tutkimista muita harvinaisiaelektronisia tiloja ajatellen.

"Sukellamme tutkimaan monia perustavanlaatuisia fysiikan ideoita ja sovelluksia", hän sanoo. "Tiedämme, että lisää on tulossa."

Aiheesta aiemmin:

Kohti vikasietoisia kubitteja

Grafeenin ominaisuuksia grafiittiin

Uusia topologisia ilmiöitä