En enskiktshalvledare har visat sig vara en nära idealisk plattform för fraktionerad kvant Hall-tillstånd - en kvantvätska som kommer ut under stora vinkelräta magnetfält. Bilden illustrerar monolager WSe2 som är värd för "kompositfermioner, " en kvasipartikel som bildas på grund av den starka växelverkan mellan elektroner och är ansvarig för sekvensen av fraktionerade kvant Hall-tillstånd. Kredit:Cory Dean/Columbia University
Columbia University forskare rapporterar att de har observerat en kvantvätska känd som fraktionerade kvanthalltillstånd (FQHS), en av materiens känsligaste faser, för första gången i en monolager 2-D halvledare. Deras resultat visar den utmärkta inneboende kvaliteten hos 2D-halvledare och etablerar dem som en unik testplattform för framtida tillämpningar inom kvantberäkning. Studien publicerades online idag i Naturens nanoteknik .
"Vi blev mycket förvånade över att observera detta tillstånd i 2D-halvledare eftersom det i allmänhet har antagits att de är för smutsiga och oordnade för att vara värd för denna effekt, " säger Cory Dean, professor i fysik vid Columbia University. "Dessutom, FQHS-sekvensen i vårt experiment avslöjar oväntat och intressant nytt beteende som vi aldrig har sett förut, och antyder faktiskt att 2D-halvledare är nära idealiska plattformar för att studera FQHS vidare."
Det fraktionerade kvantum Hall-tillståndet är ett kollektivt fenomen som uppstår när forskare begränsar elektroner att röra sig i ett tunt tvådimensionellt plan, och utsätter dem för stora magnetfält. Upptäcktes första gången 1982, den fraktionerade kvanthalleffekten har studerats i mer än 40 år, men många grundläggande frågor kvarstår. En av anledningarna till detta är att staten är mycket ömtålig och förekommer i endast de renaste materialen.
"Observation av FQHS ses därför ofta som en viktig milstolpe för ett 2D-material - ett som bara de allra renaste elektroniska systemen har nått, " noterar Jim Hone, Wang Fong-Jen professor i maskinteknik vid Columbia Engineering.
Medan grafen är det mest kända 2D-materialet, en stor grupp liknande material har identifierats under de senaste 10 åren, som alla kan exfolieras ner till ett enda lagers tjocklek. En klass av dessa material är övergångsmetalldikalkogenider (TMD), som WSe2, materialet som används i denna nya studie. Som grafen, de kan skalas för att vara atomärt tunna, men, till skillnad från grafen, deras egenskaper under magnetfält är mycket enklare. Utmaningen har varit att kristallkvaliteten på TMD:er inte var särskilt bra.
"Ända sedan TMD kom upp på scenen, det var alltid tänkt som ett smutsigt material med många defekter, säger Hone, vars grupp har gjort betydande förbättringar av kvaliteten på TMD, driva den till en kvalitet nära grafen – ofta betraktad som den ultimata renhetsstandarden bland 2D-material.
Förutom provkvaliteten, studier av 2-D-halvledarmaterialen har hindrats av svårigheterna att få bra elektrisk kontakt. För att ta itu med detta, Columbia-forskarna har också utvecklat förmågan att mäta elektroniska egenskaper genom kapacitans, snarare än de konventionella metoderna att leda en ström och mäta resistansen. En stor fördel med denna teknik är att mätningen är mindre känslig både för dålig elektrisk kontakt och för föroreningar i materialet. Mätningarna för denna nya studie utfördes under mycket stora magnetfält - som hjälper till att stabilisera FQHS - vid National High Magnetic Field Lab.
"De bråktal som kännetecknar FQHS vi observerade - förhållandet mellan partikel och magnetiskt flöde - följer en mycket enkel sekvens, " säger Qianhui Shi, tidningens första författare och postdoktor vid Columbia Nano Initiative. "Den enkla sekvensen överensstämmer med generiska teoretiska förväntningar, men alla tidigare system visar mer komplext och oregelbundet beteende. Detta säger oss att vi äntligen har en nästan idealisk plattform för att studera FQHS, där experiment direkt kan jämföras med enkla modeller."
Bland bråktalen, en av dem har en jämn nämnare. "Att observera den fraktionerade kvanthalleffekten var i sig överraskande, att se tillståndet med jämn nämnare i dessa enheter var verkligen häpnadsväckande, eftersom detta tillstånd tidigare endast har observerats i de allra bästa av de bästa enheterna, säger Dean.
Bråktillstånd med jämna nämnare har fått särskild uppmärksamhet sedan deras första upptäckt i slutet av 1980-talet, eftersom de tros representera en ny sorts partikel, en med kvantegenskaper som skiljer sig från alla andra kända partiklar i universum. "De unika egenskaperna hos dessa exotiska partiklar, " konstaterar Zlatko Papic, docent i teoretisk fysik vid University of Leeds, "kan användas för att designa kvantdatorer som är skyddade från många felkällor."
Än så länge, experimentella ansträngningar att både förstå och utnyttja tillstånden med jämna nämnare har begränsats av deras extrema känslighet och det extremt lilla antalet material som detta tillstånd kunde finnas i. "Detta gör upptäckten av det jämna nämnartillståndet i en ny - och annorlunda - materiell plattform, verkligen väldigt spännande, " tillägger Dean.
De två laboratorierna vid Columbia University – Dean Lab och Hone Group – arbetade i samarbete med NIMS Japan, som levererade en del av materialen, och Papic, vars grupp utförde beräkningsmodellering av experimenten. Båda Columbia-labb är en del av universitetets Material Research Science and Engineering Center. Detta projekt använde också renrumsfaciliteter på både Columbia Nano Initiative och City College. Mätningar vid stora magnetfält gjordes vid National High Magnetic Field Laboratory, en användaranläggning finansierad av National Science Foundation och med huvudkontor vid Florida State University i Tallahassee, Fl.
Nu när forskarna har mycket rena 2D-halvledare samt en effektiv sond, de utforskar andra intressanta tillstånd som uppstår från dessa 2D-plattformar.
