Ta upp en penna. Markera ett papper. Grattis:du håller på med banbrytande fysik inom kondenserad materia. Du kanske till och med gör det första märket på vägen till kvantdatorer, enligt ny perimeterforskning.

Presentation av grafen

Ett av de hetaste materialen inom forskning om kondenserade ämnen idag är grafen.

Graphene hade en osannolik start:det började med att forskare bråkade med blyertsmärken på papper. Penna "bly" är faktiskt gjord av grafit, som är ett mjukt kristallgitter tillverkat av ingenting annat än kolatomer. När pennor lägger den grafiten på papper, gallret läggs i tunna ark. Genom att dra isär gallret i tunnare ark - ursprungligen med skotsk tejp - upptäckte forskare att de kunde göra flingor av kristall bara en atom tjock.

Namnet på denna kycklingtråd i atomskala är grafen. De där med Scotch -tejpen, Andre Geim och Konstantin Novoselov, vann Nobelpriset 2010 för att ha upptäckt det. "Som ett material, det är helt nytt - inte bara det tunnaste någonsin utan också det starkaste, "skrev Nobelkommittén." Som ledare för el, det fungerar lika bra som koppar. Som värmeledare, det överträffar alla andra kända material. Det är nästan helt transparent, ändå så tät att inte ens helium, den minsta gasatomen, kan passera det. "

Utveckla en teoretisk modell av grafen

Grafen är inte bara ett praktiskt underverk - det är också ett underland för teoretiker. Begränsad till den tvådimensionella ytan av grafen, elektronerna beter sig konstigt. Alla slags nya fenomen kan ses, och nya idéer kan testas. Att testa nya idéer i grafen är precis vad Perimeterforskare Zlatko Papić och Dmitry (Dima) Abanin bestämde sig för att göra.

"Dima och jag började arbeta med grafen för väldigt länge sedan, "säger Papić." Vi träffades första gången 2009 på en konferens i Sverige. Jag var en student och Dima var under det första året av sin postdoc, Jag tror."

De två unga forskarna fick prata om vilken ny fysik de kanske kan observera i det konstiga nya materialet när det utsätts för ett starkt magnetfält.

"Vi bestämde att vi ville modellera materialet, "säger Papić. De har arbetat med sin teoretiska modell av grafen, på och av, alltsedan. De två är nu båda på Perimeter Institute, där Papić är postdoktor och Abanin är fakultetsmedlem. De är båda tvärutnämnda med Institute for Quantum Computing (IQC) vid University of Waterloo.

I januari 2014, de publicerade ett papper i Fysiska granskningsbrev (PRL) presenterar nya idéer om hur man framkallar ett konstigt men intressant tillstånd i grafen - ett där det verkar som om partiklar inuti det har en bråkdel av en elektronladdning.

Det kallas fraktionerad kvant Hall -effekt (FQHE), och det vänder på huvudet. Som ljusets hastighet eller Plancks konstanta, elektronens laddning är en fast punkt i det desorienterande kvantuniversum.

Varje system i universum bär hela multiplar av en enda elektronladdning. När FQHE först upptäcktes på 1980 -talet, kondenserade fysiker kom snabbt fram till att de fraktionellt laddade "partiklarna" inuti deras halvledare faktiskt var kvasipartiklar - det vill säga framväxande kollektiva beteenden i systemet som imiterar partiklar.

Grafen är ett idealiskt material för att studera FQHE. "För att den bara är en atom tjock, du har direkt tillgång till ytan, "säger Papić." I halvledare, där FQHE först observerades, gasen av elektroner som skapar denna effekt är begravd djupt inne i materialet. De är svåra att komma åt och manipulera. Men med grafen kan du tänka dig att manipulera dessa tillstånd mycket lättare. "

I januari -tidningen, Abanin och Papić rapporterade nya typer av FQHE -tillstånd som kan uppstå i tvålagers grafen - det vill säga i två ark grafen lagt ovanpå varandra - när det placeras i ett starkt vinkelrätt magnetfält. I ett tidigare verk från 2012, de hävdade att applicering av ett elektriskt fält över ytan av tvålagers grafen kan erbjuda en unik experimentell vred för att inducera övergångar mellan FQHE -tillstånd. Genom att kombinera de två effekterna, de bråkade, skulle vara ett idealiskt sätt att titta på speciella FQHE -tillstånd och övergångarna mellan dem.

Experimentella tester

Två experimentella grupper - en i Genève, som involverar Abanin, och en i Columbia, som involverar både Abanin och Papić - har sedan använt det elektriska fältet + magnetfältmetoden väl. Tidningen från Columbia -gruppen visas i 4 juli -numret av Vetenskap . En tredje grupp, ledd av Amir Yacoby från Harvard, gör närbesläktat arbete.

"Vi arbetar ofta hand i hand med experimenterande, "säger Papić." En av anledningarna till att jag gillar kondenserad materia är att ofta även den mest sofistikerade, banbrytande teori har en god chans att snabbt kontrolleras med experiment. "

Inuti både magnetiska och elektriska fält, grafens elektriska motstånd visar FKHE:s konstiga beteende. Istället för motstånd som varierar i en jämn kurva med spänning, motståndet hoppar plötsligt från en nivå till en annan, och sedan platåer - ett slags motståndstrappa. Varje trappsteg är ett annat tillstånd, definieras av den komplexa kvantevarv av laddningar, snurrar, och andra egenskaper inuti grafen.

"Antalet stater är ganska rikt, "säger Papić." Vi är mycket intresserade av tvålagers grafen på grund av antalet tillstånd vi upptäcker och för att vi har dessa mekanismer - som att ställa in det elektriska fältet - för att studera hur dessa tillstånd är inbördes relaterade, och vad händer när materialet ändras från ett tillstånd till ett annat. "

För tillfället, forskare är särskilt intresserade av trappstegen vars "höjd" beskrivs av en bråkdel med en jämn nämnare. Det beror på att kvasipartiklarna i det tillståndet förväntas ha en ovanlig egenskap.

Det finns två sorters partiklar i vår tredimensionella värld:fermioner (som elektroner), där två identiska partiklar inte kan uppta ett tillstånd, och bosoner (t.ex. fotoner), där två identiska partiklar faktiskt vill uppta ett tillstånd. I tre dimensioner, fermioner är fermioner och bosoner är bosoner, och aldrig kommer de två träffas.

Men ett ark grafen har inte tre dimensioner - det har två. Det är faktiskt ett litet tvådimensionellt universum, och i det universum, nya fenomen kan uppstå. För en sak, fermioner och bosoner kan mötas halvvägs - bli anyons, som kan vara var som helst mellan fermioner och bosoner. Kvaspartiklarna i dessa speciella trappstegstillstånd förväntas vara någon.

Särskilt, forskarna hoppas att dessa kvasipartiklar kommer att vara icke-abeliska, som deras teori indikerar att de borde vara. Det skulle vara spännande eftersom icke-abeliska anyons kan användas för att göra qubits.

Graphene qubits?

Qubits är för kvantdatorer vad bitar är till vanliga datorer:både en grundläggande informationsenhet och den grundläggande utrustningen som lagrar den informationen. På grund av deras kvantkomplexitet, qubits är kraftfullare än vanliga bitar och deras kraft växer exponentiellt när fler av dem läggs till. En kvantdator på bara hundra qubits kan hantera vissa problem utanför räckhåll för även de bästa icke-kvanta superdatorer. Eller, det kunde, om någon kunde hitta ett sätt att bygga stabila qubits.

Drivet att göra qubits är en del av anledningen till att grafen är ett hett forskningsområde i allmänhet, och varför ensamnämnaren FQHE säger-med sina speciella personer-är särskilt eftertraktade. "Ett tillstånd med ett antal av dessa alla kan användas för att representera en qubit, "säger Papić." Vår teori säger att de ska vara där och experimenten tycks bära det-visst verkar FQHE-staterna med jämn nämnare finnas där, åtminstone enligt Genèvexperimenten. "

Det är fortfarande ett steg bort från experimentellt bevis på att de jämnämnare trappstegsstaterna faktiskt innehåller icke-abeliska anyons. Mer arbete återstår, men Papić är optimistisk:"Det kan vara lättare att bevisa i grafen än vad det skulle vara i halvledare. Allt händer precis vid ytan."

Det är fortfarande tidigt, men det ser ut som om tvålagers grafen kan vara det magiska materialet som gör att denna typ av qubit kan byggas. Det skulle vara ett stort märke på den osannolika linjen mellan blyertspenna och kvantdatorer.