Kvantti-ilmiöitä kaksiulotteisessa grafeenissa

Viime vuosina kvantti-Hall-ilmiö on noussut alustaksi kvasihiukkasiksi kutsuttujen eksoottisten ominaisuuksien isännöinnille, joiden ominaisuudet voivat johtaa jännittäviin sovelluksiin esimerkiksi kvanttilaskentaan.

Suurempi kuva

Perinteisillä elektroneilla virta kulkee vain yhteen suuntaan magneettikentän määräämänä. Fyysikot ovat kuitenkin ennustaneet, että joissakin materiaaleissa voi olla vastakkaisia kanavia, joissa jotkut kvasihiukkaset voivat kulkea myös vastakkaiseen suuntaan.

Vaikka nämä vastavirtaiset kanavat kiinnostavat tutkijoita suuresti, koska ne voivat sisältää monenlaisia uudenlaisia kvasipartikkeleita, niitä on ollut erittäin vaikea tunnistaa, koska ne eivät kuljeta sähkövirtaa.

Uudessa tutkimuksessa Intian tiedeinstituutin (IISc) tutkijat ja kansainväliset yhteistyökumppanit tarjoavat "savuavan aseen" todisteita vastavirran muodoista, joita pitkin tietyt neutraalit kvasihiukkaset liikkuvat kaksikerroksisessa grafeenissa. Näiden tilojen tai kanavien havaitsemiseksi ryhmä käytti uutta menetelmää, jossa käytettiin sähköistä kohinaa – lämmön haihtumisen aiheuttamia vaihteluita lähtösignaalissa.

"Vaikka vastavirran viritteet ovat varausneutraaleja, ne voivat kuljettaa lämpöenergiaa ja tuottaa kohinapisteen pitkin vastavirran suuntaa", selittää fysiikan laitoksen apulaisprofessori Anindya Das.

Kvasihiukkaset ovat suurelta osin viritteitä, jotka syntyvät, kun alkeishiukkaset, kuten elektronit, ovat vuorovaikutuksessa keskenään tai ympäröivän aineen kanssa. Ne eivät ole todellisia hiukkasia, mutta niissä on samanlaisia hiukkasia, kuten massa ja varaus. Yksinkertaisin esimerkki on elektronin puuttuminen eli aukko jotka yhdessä elektronien kanssa voivat muodostaa kvasihiukkasia, jotka voivat edetä materiaalin reunaa pitkin.

Aiemmissa tutkimuksissa on osoitettu, että grafeenista saattaa olla mahdollista havaita esiin tulevia kvasihiukkasia, kuten Majorana-fermioneja; niitä on toivoa käyttää vikasietoisien kvanttitietokoneiden rakentamiseen.

Tällaisten hiukkasten tunnistamiseksi ja tutkimiseksi on kriittistä havaita vastavirran tilat, jotka voivat isännöidä niitä. Näitä kulkumuotoja on havaittu aiemmin galliumarsenidiin perustuvissa järjestelmissä.

Tässä tutkimuksessa, kun tutkijat käyttivät sähköistä potentiaalia kaksikerroksisen grafeenin reunaan, he havaitsivat, että lämpöä siirtyi vain vastavirran kanavissa ja haihtui tietyissä "hot spoteissa" tähän suuntaan.

Kirjoittajat havaitsivat myös, että näiden kvasihiukkasten liike vastavirran kanavissa oli "ballistista" - lämpöenergia virtasi yhdestä hotspotista toiseen ilman häviötä - toisin kuin "diffusiivinen" kuljetus, joka havaittiin aiemmin galliumarsenidiin perustuvissa kokeissa.

Tällainen ballistinen liike on myös osoitus eksoottisten tilojen ja ominaisuuksien olemassaolosta, jotka tekijöiden mukaan, voisivat auttaa rakentamaan energiatehokkaita ja virheettömiä kvanttikomponentteja tulevaisuudessa.

Aiheesta aiemmin:

Kiertymiä ja laaksoja

Majoranan metsästystä