Elektronen är den grundläggande enheten för elektricitet, eftersom den bär en enda negativ laddning. Detta är vad vi lär oss i gymnasiefysik, och det är överväldigande fallet i de flesta material i naturen.
Men i mycket speciella tillstånd av materia kan elektroner splittras i bråkdelar av hela sin helhet. Detta fenomen, känt som "fraktionell laddning", är ytterst sällsynt, och om det kan korrigeras och kontrolleras kan det exotiska elektroniska tillståndet hjälpa till att bygga motståndskraftiga, feltoleranta kvantdatorer.
Hittills har denna effekt, känd för fysiker som "fraktionell kvant-Hall-effekt", observerats en handfull gånger, och mestadels under mycket höga, noggrant bibehållna magnetfält. Först nyligen har forskare sett effekten i ett material som inte krävde så kraftfull magnetisk manipulation.
Nu har MIT-fysiker observerat den svårfångade fraktionella laddningseffekten, den här gången i ett enklare material:fem lager grafen - ett atomtunt lager av kol som härrör från grafit och bly. De rapporterar sina resultat i Nature .
De fann att när fem ark grafen staplas som trappsteg på en trappa, ger den resulterande strukturen i sig precis de rätta förutsättningarna för elektroner att passera igenom som bråkdelar av sin totala laddning, utan behov av något externt magnetfält.
Resultaten är det första beviset på den "fraktionella kvantanomala Hall-effekten" (termen "anomal" hänvisar till frånvaron av ett magnetfält) i kristallint grafen, ett material som fysiker inte förväntade sig skulle uppvisa denna effekt.
"Denna femlagers grafen är ett materialsystem där många bra överraskningar händer", säger studieförfattaren Long Ju, biträdande professor i fysik vid MIT. "Fraktionell laddning är bara så exotisk, och nu kan vi realisera denna effekt med ett mycket enklare system och utan ett magnetfält. Det är i sig viktigt för fundamental fysik. Och det kan möjliggöra möjligheten för en typ av kvantberäkning som är mer robust mot störningar."
Jus MIT-medförfattare är huvudförfattare Zhengguang Lu, Tonghang Han, Yuxuan Yao, Aidan Reddy, Jixiang Yang, Junseok Seo och Liang Fu, tillsammans med Kenji Watanabe och Takashi Taniguchi vid National Institute for Materials Science i Japan.
Den fraktionerade kvanthalleffekten är ett exempel på de konstiga fenomen som kan uppstå när partiklar övergår från att bete sig som enskilda enheter till att agera tillsammans som en helhet. Detta kollektiva "korrelerade" beteende uppstår i speciella tillstånd, till exempel när elektroner bromsas från sin normalt frenetiska takt till en krypning som gör att partiklarna kan känna av varandra och interagera. Dessa interaktioner kan producera sällsynta elektroniska tillstånd, såsom den till synes oortodoxa splittringen av en elektrons laddning.
År 1982 upptäckte forskare den fraktionerade kvanthalleffekten i heterostrukturer av galliumarsenid, där en gas av elektroner inneslutna i ett tvådimensionellt plan placeras under höga magnetfält. Upptäckten vann senare gruppen ett Nobelpris i fysik.
"[Upptäckten] var en mycket stor sak, eftersom dessa enhetsladdningar som interagerar på ett sätt för att ge något som fraktionerad laddning var väldigt, väldigt bisarrt," säger Ju. "På den tiden fanns det inga teoriförutsägelser, och experimenten överraskade alla."
Dessa forskare uppnådde sina banbrytande resultat med hjälp av magnetfält för att bromsa materialets elektroner tillräckligt mycket för att de skulle kunna interagera. Fälten de arbetade med var cirka 10 gånger starkare än vad som vanligtvis driver en MRI-maskin.
I augusti 2023 rapporterade forskare vid University of Washington de första bevisen på fraktionerad laddning utan magnetfält. De observerade denna "anomala" version av effekten, i en vriden halvledare som kallas molybdenditellurid. Gruppen förberedde materialet i en specifik konfiguration, som teoretiker förutspådde skulle ge materialet ett inneboende magnetfält, tillräckligt för att uppmuntra elektroner att fraktionera utan någon extern magnetisk kontroll.
Resultatet "inga magneter" öppnade en lovande väg till topologisk kvantberäkning - en säkrare form av kvantberäkning, där den tillsatta ingrediensen i topologi (en egenskap som förblir oförändrad vid svag deformation eller störning) ger ett qubit extra skydd när du utför en beräkning.
Detta beräkningsschema är baserat på en kombination av fraktionerad kvant Hall-effekt och en supraledare. Tidigare var det nästan omöjligt att inse:Man behöver ett starkt magnetfält för att få fraktionerad laddning, medan samma magnetfält vanligtvis dödar supraledaren. I det här fallet skulle fraktionsladdningarna fungera som en qubit (grundenheten i en kvantdator).
Göra steg
Samma månad råkade Ju och hans team också observera tecken på onormal fraktionell laddning i grafen – ett material för vilket det inte hade funnits några förutsägelser för att uppvisa en sådan effekt.
Jus grupp har utforskat elektroniskt beteende i grafen, som i sig har uppvisat exceptionella egenskaper. Senast har Jus grupp undersökt pentalagergrafen – en struktur av fem grafenark, vart och ett staplade något från varandra, som trappsteg på en trappa.
En sådan pentalskiktsgrafenstruktur är inbäddad i grafit och kan erhållas genom exfoliering med Scotch-tejp. När de placeras i ett kylskåp vid extremt kalla temperaturer, saktar strukturens elektroner att krypa och interagerar på ett sätt som de normalt inte skulle göra när de susar runt vid högre temperaturer.
I sitt nya arbete gjorde forskarna några beräkningar och fann att elektroner kan interagera med varandra ännu starkare om pentalskiktsstrukturen var i linje med hexagonal bornitrid (hBN) – ett material som har en liknande atomstruktur som grafen, men med lite olika dimensioner.
I kombination bör de två materialen producera ett moiré-supergitter – en invecklad, byggnadsställningsliknande atomstruktur som kan bromsa elektroner på ett sätt som efterliknar ett magnetfält.
"Vi gjorde de här beräkningarna och tänkte sedan, låt oss köra på det", säger Ju, som råkade installera ett nytt utspädningskylskåp i sitt MIT-labb förra sommaren, som teamet planerade att använda för att kyla ner material till ultralåga temperaturer. studera exotiskt elektroniskt beteende.
Forskarna tillverkade två prover av hybridgrafenstrukturen genom att först exfoliera grafenlager från ett grafitblock och sedan använda optiska verktyg för att identifiera femlagers flingor i den stegliknande konfigurationen. De stämplade sedan grafenflingan på en hBN-flinga och placerade en andra hBN-flinga över grafenstrukturen. Slutligen fäste de elektroder på strukturen och placerade den i kylen, inställd på nära absolut noll.
När de applicerade en ström på materialet och mätte utspänningen började de se signaturer för bråkladdning, där spänningen är lika med strömmen multiplicerat med ett bråktal och några grundläggande fysikkonstanter.
"Den dag vi såg det kände vi inte igen det först", säger första författaren Lu. "Sedan började vi skrika när vi insåg att det här var riktigt stort. Det var ett helt överraskande ögonblick."
"Detta var förmodligen de första seriösa proverna vi satte i det nya kylskåpet", tillägger medförfattaren Han. "När vi lugnat ner oss tittade vi i detalj för att försäkra oss om att det vi såg var verkligt."
Med ytterligare analys bekräftade teamet att grafenstrukturen verkligen uppvisade den fraktionerade kvantanomala Hall-effekten. Det är första gången effekten har setts i grafen.
"Graphene kan också vara en supraledare," säger Ju. "Så, du kan ha två helt olika effekter i samma material, precis bredvid varandra. Om du använder grafen för att prata med grafen undviker det många oönskade effekter när grafen överbryggar andra material."
För närvarande fortsätter gruppen att utforska flerskiktsgrafen för andra sällsynta elektroniska tillstånd.
"Vi dyker in för att utforska många grundläggande fysikidéer och tillämpningar", säger han. "Vi vet att det kommer mer att komma."
Mer information: Long Ju, Fractional quantum anomalous Hall-effekt i flerskiktsgrafen, Natur (2024). DOI:10.1038/s41586-023-07010-7. www.nature.com/articles/s41586-023-07010-7
Journalinformation: Natur
Tillhandahålls av Massachusetts Institute of Technology
Denna berättelse är återpublicerad med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.
