5 oktober, 2017 - Ett team som leds av Cory Dean, biträdande professor i fysik vid Columbia University, och James Hone, Wang Fong-Jen professor i maskinteknik vid Columbia Engineering, har definitivt observerat en intensivt studerad anomali i fysik av kondenserad materia-jämnnämnaren fraktionerad kvant Hall (FQH) -tillstånd-via transportmätning i tvålagers grafen. Studien publiceras online idag Vetenskap .

"Att observera 5/2 -staten i alla system är en anmärkningsvärd vetenskaplig möjlighet, eftersom det omfattar några av de mest förvirrande begreppen inom modern fysik av kondenserad materia, som uppkomst, kvasi-partikelbildning, kvantisering, och till och med supraledning, "Säger Dean." Vår observation att, i tvålagers grafen, 5/2 -staten överlever mycket högre temperaturer än man tidigare trodde tillåter oss inte bara att studera detta fenomen på nya sätt, men förskjuter också vår syn på FQH-tillståndet från att vara till stor del en vetenskaplig nyfikenhet till att nu ha stor potential för verkliga tillämpningar, särskilt inom kvantberäkning. "

Upptäcktes först på 1980 -talet i galliumarsenid (GaAs) heterostrukturer, 5/2 fractional quantum hall state förblir det enda undantaget från den annars strikta regeln som säger att fractional quantum hall state bara kan existera med udda nämnare. Strax efter upptäckten, teoretiskt arbete föreslog att detta tillstånd skulle kunna representera en exotisk typ av superledare, delvis känd för möjligheten att en sådan fas skulle möjliggöra ett grundläggande nytt tillvägagångssätt för kvantberäkning. Dock, bekräftelse av dessa teorier har förblivit gäckande, till stor del på grund av statens sköra natur; i GaAs är det endast observerbart i prover av högsta kvalitet och visas även då endast vid milikelvin -temperaturer (så mycket som 10, 000 gånger kallare än vattenets fryspunkt).

Columbia -teamet har nu observerat samma tillstånd i tvålagers grafen och uppträder vid mycket högre temperaturer och når flera Kelvin. "Även om det fortfarande är 100 gånger kallare än vattenets fryspunkt, att se jämn nämnartillstånd vid dessa temperaturer öppnar dörren till en helt ny uppsättning experimentella verktyg som tidigare var otänkbara, "säger Dean." Efter flera decenniers ansträngningar av forskare över hela världen, vi kan äntligen vara nära att lösa mysteriet om 5/2. "

Ett av de enastående problemen inom modern fysik av kondensmaterial är att förstå fenomenet "uppkomst, "resultatet av en stor samling av kvantpartiklar som uppträder tillsammans på grund av interaktioner mellan partiklarna och ger upphov till nya egenskaper som inte är en egenskap hos de enskilda delarna. Till exempel, i superledare, ett stort antal elektroner kollapsar alla till ett enda kvanttillstånd, som sedan kan föröka sig genom en metall utan någon energiförlust. Den fraktionerade kvante Hall -effekten är ett annat tillstånd där elektroner kolliderar med varandra, i närvaro av ett magnetfält, vilket resulterar i kvasipartiklar med potentiellt exotiska kvantegenskaper.

Mycket svårt att förutse teoretiskt, framväxten utmanar ofta vår grundläggande förståelse för hur partiklar beter sig. Till exempel, eftersom två elektroner har samma laddning, vi tänker på elektroner som objekt som vill stöta bort varandra. Dock, i en superledande metall, elektroner kopplas oväntat ihop, bilda ett nytt föremål som kallas ett kooperpar. Individuella elektroner sprids när de rör sig genom en metall, ger upphov till motstånd, men spontant bildade kooperpar beter sig kollektivt på ett sådant sätt att de rör sig genom materialet utan motstånd alls.

"Tänk på att försöka ta dig igenom en folkmassa på en rockkonsert där alla dansar med mycket energi och ständigt stöter på dig, jämfört med ett dansgolv där alla dansare rör sig i samma, noggrant koreograferat sätt, och det är lätt att undvika varandra, "säger Dean." En av anledningarna till att jämnnämnaren fraktionerade kvant Hall-effekten är så fascinerande är att dess ursprung antas vara mycket likt den hos en superledare, men, istället för att helt enkelt bilda kooperpar, en helt ny typ av kvantpartikel dyker upp. "

Enligt kvantmekanik, elementära partiklar delas in i två kategorier, Fermions och bosoner, och bete sig på väldigt olika sätt. Två fermioner, som elektroner, kan inte ockupera samma stat, vilket är anledningen till, till exempel, elektronerna i atomer fyller på varandra följande orbitaler. Bosoner, som fotoner, eller ljuspartiklar, kan uppta samma stat, så att de kan agera koherent som i ljusutsläpp från en laser. När två identiska partiklar byts ut, den kvantmekaniska vågfunktionen som beskriver deras kombinerade tillstånd multipliceras med en fasfaktor 1 för bosoner, och -1 för Fermions.

Strax efter upptäckten av den fraktionerade kvantehallseffekten, på teoretiska grunder föreslogs att de kvasipartiklar som är associerade med detta tillstånd beter sig varken som bosoner eller fermioner utan istället vad som kallas någon:när någon kvasipartiklar byts ut, fasfaktorn är varken 1 eller -1 men är fraktionerad. Trots flera decenniers ansträngningar, det finns fortfarande inga avgörande experimentella bevis som bekräftar att dessa kvasipartiklar är någon. 5/2-staten "en icke-abelisk någon" anses vara ännu mer exotisk. I teorin, non-abelian anyons lyda anyonic statistik som i andra fraktionerade quantum Hall tillstånd, men med den speciella egenskapen att denna fas inte helt enkelt kan ångras genom att vända processen. Denna oförmåga att helt enkelt avveckla fasen skulle göra all information som lagras i systemet unikt stabil, och det är därför många tror att 5/2 kan vara en bra kandidat för kvantberäkning.

"Demonstration av den förutspådda 5/2 statistiken skulle representera en enorm prestation, "säger Dean." På många sätt, detta skulle bekräfta att genom att tillverka ett materialsystem med precis rätt tjocklek och precis rätt antal elektroner, och sedan applicera precis rätt magnetfält, vi kunde effektivt konstruera helt nya klasser av partiklar, med egenskaper som inte annars finns bland kända partiklar som finns naturligt i universum. Vi har fortfarande inga avgörande bevis för att staten 5/2 uppvisar icke-abeliska egenskaper, men vår upptäckt av detta tillstånd i tvålagers grafen öppnar spännande nya möjligheter att testa dessa teorier. "

Tills nu, alla dessa förhållanden har behövt vara inte bara lagom utan också extrema. I konventionella halvledare, jämnämnaren stater är mycket svåra att isolera, och existerar endast för ultrarena material, vid extremt låga temperaturer och höga magnetfält. Medan vissa funktioner i staten har varit observerbara och tagit fram experiment som kan undersöka staten utan att förstöra den, har varit utmanande.

"Vi behövde en ny plattform, "säger Hone." Med den framgångsrika isoleringen av grafen, dessa atomiskt tunna lager av kolatomer framkom som en lovande plattform för studier av elektroner i 2D i allmänhet. En av nycklarna är att elektroner i grafen interagerar ännu starkare än i konventionella 2D -elektronsystem, teoretiskt gör effekter som jämnnämnartillståndet ännu mer robusta. Men även om det har förekommit förutsägelser om att tvålagersgrafen kan vara värd för de eftersökta jämnämnartillstånden, vid högre temperaturer än tidigare sett, Dessa förutsägelser har inte förverkligats på grund av svårigheten att göra grafen tillräckligt ren. "

Columbia -teamet byggde på många års banbrytande arbete för att förbättra kvaliteten på grafenenheter, skapa ultrarene enheter helt från atomiskt platta 2D-material:tvålagers grafen för den ledande kanalen, sexkantig bornitrid som skyddande isolator, och grafit som används för elektriska anslutningar och som en ledande grind för att ändra laddningsbärartätheten i kanalen.

En avgörande del av forskningen var att ha tillgång till de högmagnetiska fältverktygen som finns tillgängliga på National High Magnetic Field Laboratory i Tallahassee, Fla., en nationellt finansierad användaranläggning som Hone och Dean har haft omfattande samarbeten med. De studerade den elektriska ledningen genom sina enheter under magnetfält upp till 34 Tesla, och uppnådde tydlig observation av jämn nämnare stater.

"Genom att luta provet med avseende på magnetfältet, vi kunde ge ny bekräftelse på att detta FQH -tillstånd har många av de egenskaper som förutses av teori, som att vara spinnpolariserad, "säger Jia Li, tidningens huvudförfattare och postdoktoral forskare som arbetar med Dean and Hone. "Vi upptäckte också att i tvålagers grafen, detta tillstånd kan manipuleras på sätt som inte är möjliga i konventionella material. "

Columbia -teamets resultat, som demonstrerar mätning i transport - hur elektroner flödar i systemet - är ett avgörande steg framåt mot att bekräfta det möjliga exotiska ursprunget till jämn nämnartillstånd. Deras resultat rapporteras samtidigt med en liknande rapport från en forskargrupp vid University of California, Santa Barbara. UCSB -studien observerade jämn nämnartillstånd genom kapacitansmätning, som undersöker förekomsten av ett elektriskt gap som är associerat med statens början.

Teamet förväntar sig att de robusta mätningar de nu har observerat i tvålagers grafen möjliggör nya experiment som definitivt kan bevisa dess icke-abeliska natur. När detta är fastställt, laget hoppas kunna börja demonstrera beräkning med hjälp av jämn nämnartillstånd.

"I många decennier har man nu trott att om staten 5/2 verkligen representerar en icke-abelisk människa, det kan teoretiskt revolutionera ansträngningarna att bygga en kvantdator, "Dean observerar." Tidigare har dock, de extrema förhållanden som är nödvändiga för att överhuvudtaget se staten, än mindre använda den för beräkning, var alltid en viktig fråga om praktiska. Våra resultat i tvålagers grafen tyder på att den här drömmen nu kanske inte är så långt från verkligheten. "