Forskare från Brown och Columbia Universities har visat tidigare okända tillstånd av materia som uppstår i dubbla lager av grafen, ett tvådimensionellt nanomaterial. Dessa nya stater, känd som fraktionerad kvant Hall-effekt, uppstår från den komplexa interaktionen mellan elektroner både inom och över grafenlager.

"Fynden visar att stapling av 2D-material i närheten genererar helt ny fysik, " sa Jia Li, biträdande professor i fysik vid Brown, som initierade detta arbete medan han var post-doc vid Columbia och arbetade med Cory Dean, professor i fysik, och Jim Hone, professor i maskinteknik. "När det gäller materialteknik, Detta arbete visar att dessa skiktade system kan vara livskraftiga för att skapa nya typer av elektroniska enheter som drar fördel av dessa nya kvanthallstillstånd."

Forskningen publiceras i tidskriften Naturfysik .

Viktigt, säger Hone, Wang Fong-Jen professor i maskinteknik vid Columbia Engineering, flera av dessa nya kvant Hall-tillstånd "kan vara användbara för att göra feltoleranta kvantdatorer."

Hall-effekten uppstår när ett magnetiskt fält appliceras på ett ledande material i en vinkelrät riktning mot ett strömflöde. Magnetfältet gör att strömmen avleds, skapa en spänning i tvärriktningen, kallas Hallspänningen. Styrkan på Hall-spänningen ökar med styrkan på magnetfältet. Kvantversionen av Hall-effekten upptäcktes först i experiment som utfördes 1980 vid låga temperaturer och starka magnetfält. Experimenten visade att snarare än att öka smidigt med magnetfältstyrkan, Hall-spänningen ökar stegvis (eller kvantiserat) sätt. Dessa steg är heltalsmultiplar av fundamentala naturkonstanter och är helt oberoende av den fysiska sammansättningen av materialet som används i experimenten. Upptäckten belönades med 1985 års Nobelpris i fysik.

Några år senare, forskare som arbetade vid temperaturer nära absolut noll och med mycket starka magnetfält hittade nya typer av kvanthallstillstånd där kvantstegen i Hallspänningen motsvarar bråktal, därav namnet fraktionell kvant Hall-effekt. Upptäckten av den fraktionerade kvanthalleffekten vann ytterligare ett Nobelpris, 1998. Teoretiker hävdade senare att den fraktionerade kvanthalleffekten är relaterad till bildandet av kvasipartiklar som kallas kompositfermioner. I detta tillstånd, varje elektron kombineras med ett kvantum av magnetiskt flöde för att bilda en sammansatt fermion som bär en bråkdel av en elektronladdning som ger upphov till bråkvärdena i Hall-spänning.

Den sammansatta fermionteorin har lyckats förklara en myriad av fenomen som observerats i enstaka kvantbrunnssystem. Denna nya forskning använde dubbelskiktsgrafen för att undersöka vad som händer när två kvantbrunnar förs nära varandra. Teori hade föreslagit att interaktionen mellan två lager skulle leda till en ny typ av sammansatt fermion, men detta hade aldrig observerats i experiment.

För experimenten, teamet byggde på många års arbete på Columbia för att förbättra kvaliteten på grafenenheter, skapa ultrarena enheter helt från atomärt platta 2D-material. Kärnan i strukturen består av två grafenlager åtskilda av ett tunt lager av hexagonal bornitrid som en isolerande barriär. Dubbelskiktsstrukturen är inkapslad av hexagonal bornitrid som en skyddande isolator, och grafit som en ledande grind för att ändra laddningsbärardensiteten i kanalen.

"Återigen har den otroliga mångsidigheten hos grafen gjort det möjligt för oss att flytta gränserna för enhetsstrukturer bortom vad som tidigare var möjligt." säger Dean, professor i fysik vid Columbia University. "Precisionen och inställningsförmågan med vilken vi kan tillverka dessa enheter tillåter oss nu att utforska en hel värld av fysik som nyligen ansågs vara helt otillgänglig."

Grafenstrukturerna exponerades sedan för starka magnetfält — miljontals gånger starkare än jordens magnetfält. Forskningen producerade en rad fraktionerade kvanthalltillstånd, av vilka några visar utmärkt överensstämmelse med kompositfermionmodellen, och några som aldrig hade förutspåtts eller setts.

"Förutom mellanskiktens kompositfermioner, vi observerade andra egenskaper som inte kan förklaras inom den sammansatta fermionmodellen, sa Qianhui Shi, tidningens första författare och postdoktor vid Columbia. "En mer noggrann studie visade att, till vår förvåning, dessa nya tillstånd är resultatet av parning mellan kompositfermioner. Parning av interaktion mellan intilliggande lager och inom samma lager ger upphov till en mängd nya kvantfenomen, gör dubbelskiktsgrafen till en spännande plattform att studera."

"Av särskilt intresse, säger Hone, "är flera nya tillstånd som har potentialen att vara värd för icke-abelska vågfunktioner - tillstånd som inte riktigt passar den traditionella kompositfermionmodellen." I icke-abeliska stater, elektroner upprätthåller ett slags "minne" av sina tidigare positioner i förhållande till varandra. Det har potential att möjliggöra kvantdatorer som inte kräver felkorrigering, som för närvarande är en stor stötesten på området.

"Detta är de första nya kandidaterna för icke-abeliaska stater på 30 år, " sa Dean. "Det är verkligen spännande att se ny fysik dyka upp från våra experiment."

Studien har titeln "Pairing states of composite fermions in double-layer graphene."