Una nuova scoperta del grafene del MIT modella il futuro dell’informatica quantistica

Notata una strana condizione elettronica Istituto di Tecnologia del Massachussetts I fisici possono realizzare forme più potenti di Statistiche quantitative.

L'elettrone è l'unità base dell'elettricità, perché trasporta un'unica carica negativa. Questo è ciò che abbiamo imparato alla fisica delle scuole superiori, e questo è il caso in modo schiacciante nella maggior parte delle materie naturali.

Ma in stati molto speciali della materia, gli elettroni possono dividersi in parti del loro totale totale. Questo fenomeno, noto come “carica parziale”, è estremamente raro e, se potesse essere intrappolato e controllato, l’esotico stato elettronico potrebbe aiutare a costruire computer quantistici flessibili e tolleranti ai guasti.

Finora questo effetto, noto ai fisici come “effetto Hall quantistico frazionario”, è stato osservato molte volte, soprattutto in presenza di campi magnetici molto elevati e mantenuti con cura. Solo di recente gli scienziati hanno scoperto l’effetto in un materiale che non richiede una manipolazione magnetica così forte.

Ora, i fisici del MIT hanno osservato lo sfuggente effetto di carica parziale, questa volta in un materiale più semplice: cinque strati di… Grafene – Quello mais– Un sottile strato di carbonio ha origine dalla grafite e dal piombo ordinario. Hanno riportato i loro risultati il ​​21 febbraio sulla rivista natura.

Foto di squadra. Da sinistra a destra: Long Ju, ricercatore post-dottorato Zhengguang Lu, studente universitario in visita Yuxuan Yao, studente laureato Tonghang Huang. Credito: Jixiang Yang

Hanno scoperto che quando cinque fogli di grafene sono impilati come i pioli di una scala, la struttura risultante fornisce intrinsecamente le giuste condizioni affinché gli elettroni possano passare come parti della loro carica complessiva, senza la necessità di alcun campo magnetico esterno.

I risultati sono la prima prova di un “effetto Hall anomalo quantistico parziale” (“anomalo” si riferisce all’assenza di un campo magnetico) nel grafene cristallino, un materiale che i fisici non si aspettavano mostrasse questo effetto.

“Questo grafene a cinque strati è un sistema materiale in cui si verificano molte belle sorprese”, afferma l'autore dello studio Long Ju, assistente professore di fisica al MIT. “La carica parziale è molto strana, e ora possiamo ottenere questo effetto utilizzando un sistema molto più semplice e senza campo magnetico. Questo di per sé è importante per la fisica fondamentale. Potrebbe aprire la possibilità di un tipo di calcolo quantistico più robusto contro il disturbo.”

I coautori del MIT includono l'autore principale Zhengguang Lu, Tonghang Han, Yuxuan Yao, Aidan Reddy, Jixiang Yang, Junseok Seo e Liang Fu, insieme a Kenji Watanabe e Takashi Taniguchi dell'Istituto nazionale di scienza dei materiali in Giappone.

Strano paese

L’effetto Hall quantistico parziale è un esempio degli strani fenomeni che possono verificarsi quando le particelle passano dal comportarsi come unità individuali a comportarsi insieme come un tutto. Questo comportamento collettivo “coerente” appare in casi speciali, ad esempio quando gli elettroni vengono rallentati dalla loro velocità normalmente frenetica a un passo lento che consente alle molecole di percepirsi a vicenda e interagire. Queste interazioni possono produrre stati elettronici rari, come la scissione non convenzionale della carica dell'elettrone.

Nel 1982, gli scienziati scoprirono l'effetto Hall quantistico parziale nelle eterostrutture dell'arseniuro di gallio, in cui un gas di elettroni confinato in un piano bidimensionale è trattenuto da elevati campi magnetici. Questa scoperta portò successivamente il gruppo a ricevere il Premio Nobel per la fisica.

“[The discovery] “Questo era un grosso problema, perché l'interazione di queste unità di carica in un modo che dava qualcosa di simile a una carica frazionaria era molto strana”, dice Joe. “A quel tempo non c’erano previsioni teoriche e gli esperimenti sorpresero tutti”.

Questi ricercatori hanno ottenuto risultati pionieristici utilizzando i campi magnetici per rallentare gli elettroni di un materiale abbastanza da consentire loro di interagire. I campi con cui hanno lavorato erano circa 10 volte più forti di quelli che normalmente alimentano una macchina per la risonanza magnetica.

Nell'agosto 2023, gli scienziati di Università di Washington Riportò la prima prova dell'esistenza di cariche parziali senza campo magnetico. Hanno osservato questa versione “anomala” dell’effetto, in un semiconduttore ritorto chiamato ditelluride di molibdeno. Il gruppo ha preparato il materiale con una configurazione specifica, che secondo i teorici avrebbe conferito al materiale un campo magnetico intrinseco, sufficiente a incoraggiare gli elettroni a dividersi senza alcun controllo magnetico esterno.

Il risultato “nessun magnete” ha aperto un percorso promettente verso il calcolo quantistico topologico – una forma più sicura di calcolo quantistico, in cui la componente aggiuntiva della topologia (una proprietà che rimane invariata nonostante distorsioni o disturbi deboli) fornisce una protezione aggiuntiva per il qubit quando si esegue un calcolo. Questo schema di calcolo si basa su una combinazione di effetto Hall quantistico parziale e superconduttività. Era quasi impossibile realizzarlo: per ottenere una carica parziale è necessario un forte campo magnetico, mentre lo stesso campo magnetico normalmente ucciderebbe un superconduttore. In questo caso, le cariche frazionarie sarebbero un qubit (l’unità base di un computer quantistico).

Fare dei passi

Nello stesso mese, Gu e il suo team hanno notato anche segni di una carica parziale anomala nel grafene, un materiale che non ci si aspettava mostrasse un simile effetto.

Il gruppo di Gu ha esplorato il comportamento elettronico del grafene, che di per sé ha dimostrato proprietà eccezionali. Recentemente, il gruppo di Gu ha studiato il grafene pentastrato, una struttura composta da cinque fogli di grafene, ciascuno leggermente distanziato dagli altri, come i pioli di una scala. Questa struttura pentagonale di grafene è incorporata nella grafite e può essere ottenuta mediante esfoliazione con nastro adesivo. Quando vengono posti in un congelatore a temperature molto fredde, gli elettroni della struttura rallentano e reagiscono in un modo che normalmente non farebbero quando vagano a temperature più elevate.

Nel loro nuovo lavoro, i ricercatori hanno eseguito alcuni calcoli e hanno scoperto che gli elettroni potrebbero interagire tra loro in modo più forte se la struttura dello strato pentagonale fosse allineata con il nitruro di boro esagonale (hBN) – un materiale con una struttura atomica simile a quella del grafene, ma con dimensioni leggermente diverse. Combinati, i due materiali dovrebbero produrre un superreticolo, una struttura atomica complessa simile a un’impalcatura che può rallentare il movimento degli elettroni in modo da imitare un campo magnetico.

“Abbiamo fatto questi calcoli, e poi abbiamo pensato: 'Facciamolo'”, dice Joe, che l'estate scorsa ha installato un nuovo frigorifero per diluizione nel suo laboratorio al MIT, che il team ha pianificato di utilizzare per raffreddare i materiali a livelli estremamente bassi. temperature. Comportamento elettronico.

I ricercatori hanno fabbricato due campioni della struttura ibrida del grafene staccando prima strati di grafene da un blocco di grafite, quindi utilizzando strumenti ottici per identificare le scaglie a cinque strati in una configurazione graduata. Hanno quindi stampato il wafer di grafene su un wafer hBN e hanno posizionato un secondo wafer hBN sopra la struttura di grafene. Infine, hanno attaccato gli elettrodi alla struttura e l’hanno posizionata in un congelatore, quindi l’hanno posizionata nelle immediate vicinanze Zero Assoluto.

Quando hanno applicato una corrente al materiale e misurato la tensione in uscita, hanno iniziato a vedere segni di carica frazionaria, dove la tensione è uguale alla corrente moltiplicata per un numero frazionario e alcune costanti fisiche di base.

“Il giorno in cui lo abbiamo visto, all'inizio non lo abbiamo riconosciuto”, dice il primo autore Lu. “Poi abbiamo iniziato a urlare quando ci siamo resi conto che si trattava di una cosa davvero importante. È stato un momento assolutamente sorprendente.”

“Questi sono stati probabilmente i primi campioni seri che abbiamo inserito nel nuovo frigorifero”, aggiunge il co-primo autore Hahn. Una volta calmati, abbiamo esaminato i dettagli per assicurarci che ciò che stavamo vedendo fosse reale”.

Con ulteriori analisi, il team ha confermato che la struttura del grafene mostrava effettivamente un effetto Hall quantistico anomalo parziale. Questa è la prima volta che questo effetto viene mostrato nel grafene.

“Il grafene potrebbe anche essere un superconduttore”, afferma Gu. “Quindi, puoi avere due effetti completamente diversi nello stesso materiale, uno accanto all'altro. Se usi il grafene per comunicare con il grafene, eviti molti effetti indesiderati quando leghi il grafene ad altri materiali.”

Attualmente, il team continua a esplorare il grafene multistrato per altri rari stati elettronici.

“Ci immergiamo per esplorare molte idee e applicazioni della fisica fondamentale”, afferma. “Sappiamo che ce ne saranno altri in arrivo.”

Riferimento: “Effetto Hall anomalo quantistico parziale in grafene multistrato” di Zhengguang Lu, Tonghang Han, Yuxuan Yao, Aidan P. Reddy, Jixiang Yang, Junseok Seo, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Liang Fu e Long Ju, 21 febbraio 2024, natura.
doi: 10.1038/s41586-023-07010-7

Questa ricerca è supportata in parte dalla Sloan Foundation e dalla National Science Foundation.