Neuer Graphen-Durchbruch vom MIT prägt die Zukunft des Quantencomputings

Der partielle Quanten-Hall-Effekt wurde im Allgemeinen bei sehr hohen Magnetfeldern beobachtet, aber MIT-Physiker haben ihn jetzt bei einfachem Graphen beobachtet. In einem fünfschichtigen Übergitter aus Graphen/hexagonalem Bornitrid (hBN) interagieren Elektronen (blaue Kugel) stark miteinander und verhalten sich, als wären sie in Teilladungen aufgeteilt. Bildnachweis: Sampson Wilcox, RLE

Merkwürdiger elektronischer Zustand festgestellt Massachusetts Institute of Technology Physiker können leistungsfähigere Formen von ermöglichen Quantitative Statistik.

Das Elektron ist die Grundeinheit der Elektrizität, da es eine einzige negative Ladung trägt. Das haben wir in der Physik an der Oberschule gelernt, und das trifft in den meisten naturwissenschaftlichen Fächern überwiegend zu.

Doch in ganz besonderen Materiezuständen können Elektronen in Teile ihrer Gesamtheit zerfallen. Dieses als „Teilladung“ bekannte Phänomen ist äußerst selten, und wenn es eingefangen und kontrolliert werden kann, könnte der exotische elektronische Zustand dazu beitragen, flexible, fehlertolerante Quantencomputer zu bauen.

Bisher wurde dieser von Physikern als „fraktionierter Quanten-Hall-Effekt“ bezeichnete Effekt schon oft beobachtet, meist unter sehr hohen und sorgfältig aufrechterhaltenen Magnetfeldern. Erst kürzlich haben Wissenschaftler den Effekt in einem Material entdeckt, das keine so starke magnetische Manipulation erfordert.

Jetzt haben Physiker vom MIT den schwer fassbaren Teilladungseffekt beobachtet, diesmal in einem einfacheren Material: fünf Schichten … Graphen – Das Mais– Eine dünne Kohlenstoffschicht entsteht aus Graphit und gewöhnlichem Blei. Sie berichteten über ihre Ergebnisse am 21. Februar in der Zeitschrift Natur.

Teamfoto. Von links nach rechts: Long Ju, Postdoktorand Zhengguang Lu, Gaststudent Yuxuan Yao, Doktorand Tonghang Huang. Bildnachweis: Jixiang Yang

Sie fanden heraus, dass, wenn fünf Graphenschichten wie die Sprossen einer Leiter gestapelt werden, die resultierende Struktur von Natur aus die richtigen Bedingungen für den Durchgang von Elektronen als Teile ihrer Gesamtladung bietet, ohne dass ein externes Magnetfeld erforderlich ist.

Die Ergebnisse sind der erste Beweis für einen „partiellen quantenanomalen Hall-Effekt“ („anomal“ bezieht sich auf das Fehlen eines Magnetfelds) in kristallinem Graphen, einem Material, von dem Physiker nicht erwartet hatten, dass es diesen Effekt zeigt.

„Dieses fünfschichtige Graphen ist ein Materialsystem, in dem viele gute Überraschungen passieren“, sagt Studienautor Long Ju, Assistenzprofessor für Physik am MIT. „Fraktionelle Ladung ist sehr seltsam, und jetzt können wir diesen Effekt mit einem viel einfacheren System und ohne Magnetfeld erzielen. Dies ist an sich schon wichtig für die Grundlagenphysik. Es könnte die Möglichkeit einer robusteren Art des Quantencomputings eröffnen.“ gegen Unruhe.“

Zu den Co-Autoren am MIT gehören die Hauptautoren Zhengguang Lu, Tonghang Han, Yuxuan Yao, Aidan Reddy, Jixiang Yang, Junseok Seo und Liang Fu sowie Kenji Watanabe und Takashi Taniguchi vom National Institute of Materials Science in Japan.

Seltsames Land

Der partielle Quanten-Hall-Effekt ist ein Beispiel für die seltsamen Phänomene, die auftreten können, wenn Teilchen vom Verhalten als einzelne Einheiten zum Verhalten als Ganzes übergehen. Dieses kollektive „kohärente“ Verhalten tritt in besonderen Fällen auf, beispielsweise wenn Elektronen von ihrer normalerweise frenetischen Geschwindigkeit auf eine Kriechgeschwindigkeit verlangsamt werden, die es Molekülen ermöglicht, einander zu spüren und zu interagieren. Diese Wechselwirkungen können seltene elektronische Zustände erzeugen, beispielsweise eine unkonventionelle Aufspaltung der Elektronenladung.

Im Jahr 1982 entdeckten Wissenschaftler den partiellen Quanten-Hall-Effekt in Galliumarsenid-Heterostrukturen, bei denen ein in einer zweidimensionalen Ebene eingeschlossenes Elektronengas unter hohen Magnetfeldern gehalten wird. Diese Entdeckung führte später dazu, dass die Gruppe den Nobelpreis für Physik erhielt.

„[The discovery] „Das war ein sehr großes Problem, denn das Zusammenspiel dieser Ladungseinheiten auf eine Art und Weise, die so etwas wie eine Bruchteilladung ergab, war sehr seltsam“, sagt Joe. „Damals gab es keine theoretischen Vorhersagen und die Experimente überraschten alle.“

Diese Forscher erzielten ihre bahnbrechenden Ergebnisse, indem sie Magnetfelder verwendeten, um die Elektronen eines Materials so weit zu verlangsamen, dass sie interagieren konnten. Die Felder, mit denen sie arbeiteten, waren etwa zehnmal stärker als diejenigen, die normalerweise ein MRT-Gerät antreiben.

Im August 2023 haben Wissenschaftler an Universität von Washington Er berichtete über den ersten Beweis für die Existenz einer Teilladung ohne Magnetfeld. Sie beobachteten diese „anomale“ Version des Effekts in einem verdrehten Halbleiter namens Molybdänditellurid. Die Gruppe bereitete das Material mit einer spezifischen Konfiguration vor, die den Theoretikern zufolge dem Material ein inhärentes Magnetfeld verleihen würde, das ausreicht, um die Spaltung der Elektronen ohne externe magnetische Kontrolle zu fördern.

Das Ergebnis „kein Magnet“ hat einen vielversprechenden Weg zum topologischen Quantencomputing eröffnet – einer sichereren Form des Quantencomputings, bei dem die zusätzliche Komponente der Topologie (eine Eigenschaft, die trotz Verzerrung oder schwacher Störung unverändert bleibt) zusätzlichen Schutz für das Qubit bietet bei der Durchführung einer Berechnung. Dieses Berechnungsschema basiert auf einer Kombination aus partiellem Quanten-Hall-Effekt und Supraleitung. Es war fast unmöglich, dies zu realisieren: Man braucht ein starkes Magnetfeld, um eine Teilladung zu erhalten, während das gleiche Magnetfeld normalerweise einen Supraleiter töten würde. In diesem Fall wären die Teilladungen ein Qubit (die Grundeinheit eines Quantencomputers).

Schritte machen

Im selben Monat bemerkten Gu und sein Team zufällig auch Anzeichen einer anomalen Teilladung in Graphen, einem Material, von dem man nicht erwartete, dass es einen solchen Effekt zeigte.

Gus Gruppe hat das elektronische Verhalten von Graphen erforscht, das selbst außergewöhnliche Eigenschaften gezeigt hat. Kürzlich untersuchte Gus Gruppe fünflagiges Graphen, eine Struktur, die aus fünf Graphenschichten besteht, die jeweils leicht voneinander entfernt gestapelt sind, wie die Sprossen einer Leiter. Diese fünfeckige Graphenstruktur ist in Graphit eingebettet und kann durch Abblättern mit Klebeband erhalten werden. Wenn sie bei sehr niedrigen Temperaturen in einen Gefrierschrank gestellt werden, verlangsamen sich die Elektronen der Struktur und reagieren auf eine Art und Weise, wie sie es normalerweise nicht tun würden, wenn sie sich bei höheren Temperaturen bewegen.

In ihrer neuen Arbeit führten die Forscher einige Berechnungen durch und stellten fest, dass die Elektronen möglicherweise stärker miteinander interagieren, wenn die fünfeckige Schichtstruktur mit hexagonalem Bornitrid (hBN) ausgerichtet wäre – einem Material mit einer Atomstruktur, die der von Graphen ähnelt, aber mit leicht unterschiedlichen Abmessungen. Zusammen sollen die beiden Materialien ein Übergitter erzeugen, eine komplexe gerüstartige Atomstruktur, die die Bewegung von Elektronen auf eine Weise verlangsamen kann, die ein Magnetfeld nachahmt.

„Wir haben diese Berechnungen durchgeführt und dann dachten wir: ‚Machen wir es‘“, sagt Joe, der letzten Sommer zufällig in seinem Labor am MIT einen neuen Verdünnungskühlschrank installiert hatte, mit dem das Team Materialien auf extrem niedrige Temperaturen abkühlen wollte Temperaturen. Elektronisches Verhalten.

Die Forscher stellten zwei Proben der hybriden Graphenstruktur her, indem sie zunächst Graphenschichten von einem Graphitblock abzogen und dann mit optischen Werkzeugen die fünfschichtigen Flocken in einer abgestuften Konfiguration identifizierten. Anschließend stempelten sie den Graphen-Wafer auf einen hBN-Wafer und platzierten einen zweiten hBN-Wafer auf der Graphenstruktur. Schließlich befestigten sie Elektroden an der Struktur, legten sie in einen Gefrierschrank und platzierten sie dann in unmittelbarer Nähe Absoluter Nullpunkt.

Als sie einen Strom an das Material anlegten und die Ausgangsspannung maßen, begannen sie, die Signaturen einer Bruchladung zu erkennen, bei der die Spannung gleich dem Strom multipliziert mit einer Bruchzahl und einigen grundlegenden physikalischen Konstanten ist.

„An dem Tag, als wir ihn sahen, erkannten wir ihn zunächst nicht“, sagt Erstautor Lu. „Dann fingen wir an zu schreien, als uns klar wurde, dass das eine wirklich große Sache war. Es war ein völlig überraschender Moment.“

„Das waren wahrscheinlich die ersten ernsthaften Proben, die wir in den neuen Kühlschrank gelegt haben“, fügt Co-Erstautor Hahn hinzu. Nachdem wir uns beruhigt hatten, schauten wir uns die Details an, um sicherzustellen, dass das, was wir sahen, echt war.“

Mit weiteren Analysen bestätigte das Team, dass die Graphenstruktur tatsächlich einen teilweisen quantenanomalen Hall-Effekt aufwies. Dies ist das erste Mal, dass dieser Effekt in Graphen gezeigt wurde.

„Graphen könnte auch ein Supraleiter sein“, sagt Gu. „Sie können also zwei völlig unterschiedliche Effekte im selben Material nebeneinander erzielen. Wenn Sie Graphen verwenden, um mit Graphen zu kommunizieren, werden viele unerwünschte Effekte vermieden, wenn Sie Graphen mit anderen Materialien verbinden.“

Derzeit erforscht das Team weiterhin mehrschichtiges Graphen für andere seltene elektronische Zustände.

„Wir tauchen ein, um viele grundlegende Ideen und Anwendungen der Physik zu erforschen“, sagt er. „Wir wissen, dass noch mehr kommen wird.“

Referenz: „Partial Quantum Anomalous Hall Effect in Multilayer Graphene“ von Zhengguang Lu, Tonghang Han, Yuxuan Yao, Aidan P. Reddy, Jixiang Yang, Junseok Seo, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Liang Fu und Long Ju, 21. Februar 2024, Natur.
doi: 10.1038/s41586-023-07010-7

Diese Forschung wird teilweise von der Sloan Foundation und der National Science Foundation unterstützt.