Kvanttimateriaalista löytyy uusia elektronisia ominaisuuksia

Florida State yliopiston fysiikan apulaisprofessori Cyprian Lewandowski ja postdoc-tutkija Phong Võ Tiến ovat osa kansainvälistä yhteistyötä, joka on paljastanut uusia suprajohtavuuden ja topologian ilmenemismuotoja romboedrisesta grafeenikoosteesta. Se koostuu vain muutamasta hiiliatomikerroksesta, jotka on pinottu porrasaskelmien tavoin kiraaliseksi pinoamiseksi kutsutussa muodossa.

"Romboedrinen grafeenijärjestelmä näyttää vangitsevan monia kiehtovia elektronisia ilmiöitä, joita tiedemiehet ovat aiemmin nähneet muissa atomitasoisissa järjestelmissä, mutta ne eivät aiemmin ole olleet yhtä ihanteellisia teknisiin sovelluksiin niiden luontaisen monimutkaisuuden tai toistettavuusongelmien vuoksi", Lewandowski sanoi.

"Fysiikassa, kun tunnistamme yleisen ilmiön, yritämme tislata sen olennaiseen muotoonsa ymmärtääksemme taustalla olevan mekanismin. Tämä romboedrinen järjestelmä mahdollistaa meidän nyt tehdä se."

Luonnossa esiintyvistä grafiittikiteistä voidaan eristää atomitason ohuita romboedrisiä grafeenihiutaleita. Tässä rakenteessa elektronit lokalisoituvat matalalla energialla lähes yksinomaan tiettyihin atomeihin materiaalin ylä- ja alapinnoilla. Sen sijaan materiaalin pääosassa on hyvin vähän varausta.

Suuren elektronitiheyden kerääntyminen ulkopinnoille johtaa mielenkiintoisiin emergentteihin kvanttiominaisuuksiin, koska varaukset pakotetaan kollektiivisesti "tekemään valintoja" siitä, miten ne sijaitsevat pinnoilla, samalla kun ne hylkivät toisiaan. Havaittiin, että suoraan tästä kaksoispintakonfiguraatiosta syntyy suprajohtavuus kun vastakkaisilla pinnoilla olevat elektronien ja aukkojen kantajat muodostavat yhdessä suprajohtavan tilan.

"Edelleen tämän järjestelmän lisämonimutkaisuus on se, että negatiivisia ja positiivisia varauksia esiintyy samanaikaisesti", sanoo Washingtonin yliopiston Matthew Yankowitz. "Yhdellä pinnalla varaukset ovat elektroneja ja siksi negatiivisesti varautuneita. Toisella pinnalla ne käyttäytyvät kuin aukot, jotka ovat käytännössä positiivisia."

"Tämä työ edistää perustavanlaatuista ymmärrystämme vahvasti korreloivien ja topologisten vaiheiden vuorovaikutuksesta, mikä voisi olla tie tulevaisuuden kvanttiteknologioiden kehittämiseen."

Suprajohtavuuden lisäksi tutkimusryhmä havaitsi kvanttianomaalisen Hall-ilmiön – topologisen tilan, jossa sähkövirta kulkee ilman resistanssia materiaalin reunoja pitkin.

"Jos kaksi ilmiötä, suprajohtava käyttäytyminen ja topologiset tilat, saadaan lopulta esiintymään rinnakkain, teorian mukaan syntyy niin sanottuja Majoranan nollatiloja, jotka ovat ehdokkaita vikasietoisen kvanttilaskennan rakenneosia; ne kun ovat luonnostaan suojattuja paikalliselta kohinalta ja dekoherenssilta, jotka tuhoavat kvantti-informaatiota."

Yksi tiimin ohjaavista tavoitteista on lopulta siirtää tutkimus kvanttitekniikan alueelle seuraavan sukupolven laitteiden ja ilmaisimien kehittämiseksi.

Aiheesta aiemmin:

Kiraalinen ja magneettinen suprajohde

Kiraalinen kvanttitila topologisessa materiaalissa

Elektroneille viisikaistainen supervaltatie