"Tunga fermioner" är ett tilltalande teoretiskt sätt att producera kvantintrasslade fenomen, men tills nyligen har observerats mest i farligt radioaktiva föreningar. Ett nytt papper in Fysiska granskningsbrev har visat att det är möjligt att göra tunga fermioner i subtilt modifierad grafen, vilket är mycket billigare och säkrare.

Sällsynta jordartsföreningar har fascinerat forskare i årtionden på grund av de unika kvantegenskaper de uppvisar, som hittills har varit helt utom räckhåll för vardagliga föreningar. En av de mest anmärkningsvärda och exotiska egenskaperna hos dessa material är uppkomsten av exotiska supraledande tillstånd, och särskilt de supraledande tillstånd som krävs för att bygga framtida topologiska kvantdatorer. Även om dessa specifika sällsynta jordartsmetaller, kända som tunga fermionsupraledare, har varit kända i decennier, att göra användbara kvantteknologier av dem har förblivit en kritiskt öppen utmaning. Detta beror på att dessa material innehåller kritiskt radioaktiva föreningar, som uran och plutonium, gör dem till begränsad användning i verkliga kvantteknologier.

Ny forskning har nu avslöjat en alternativ väg för att konstruera de grundläggande fenomenen hos dessa sällsynta jordartsmetaller enbart med grafen, som inte har några av säkerhetsproblemen med traditionella sällsynta jordartsmetaller. Det spännande resultatet i den nya uppsatsen visar hur ett kvanttillstånd känt som en "tung fermion" kan produceras genom att kombinera tre vridna grafenlager. En tung fermion är en partikel - i det här fallet en elektron - som beter sig som om den har mycket mer massa än den faktiskt gör. Anledningen till att det beter sig så härstammar från unika kvanteffekter på många kroppar som för det mesta bara observerades i sällsynta jordartsmetaller fram till nu. Detta tunga fermionbeteende är känt för att vara drivkraften för de fenomen som krävs för att använda dessa material för topologisk kvantberäkning. Detta nya resultat visar en ny, icke-radioaktivt sätt att uppnå denna effekt med enbart kol, öppnar en väg för hållbart utnyttjande av tung fermionfysik i kvantteknik.

I tidningen författad av Aline Ramires, (Paul Scherrer Institute, Schweiz) och Jose Lado (Aalto-universitetet), forskarna visar hur det är möjligt att skapa tunga fermioner med billiga, icke-radioaktiva material. Att göra detta, de använde grafen, som är ett enatoms tjockt lager av kol. Trots att det är kemiskt identiskt med materialet som används i vanliga pennor, grafenens subnanometertjocklek gör att den har oväntat unika elektriska egenskaper. Genom att lägga de tunna arken av kol ovanpå varandra i ett specifikt mönster, där varje ark roteras i förhållande till det andra, forskarna kan skapa effekten av kvantegenskaper som resulterar i att elektronerna i grafenet beter sig som tunga fermioner.

"Tills nu, praktiska tillämpningar av tunga fermionsupraledare för topologisk kvantberäkning har inte eftersträvats mycket, delvis för att det krävde föreningar som innehöll uran och plutonium, långt ifrån idealiska för tillämpningar på grund av deras radioaktiva natur, ", säger professor Lado. "I detta arbete visar vi att man kan sikta på att realisera exakt samma fysik bara med grafen. Medan vi i detta arbete bara visar uppkomsten av tungt fermionbeteende, Att ta itu med uppkomsten av topologisk supraledning är ett naturligt nästa steg, som potentiellt kan ha en banbrytande inverkan för topologisk kvantberäkning."

Topologisk supraledning är ett ämne av kritiskt intresse för kvantteknologier, också tacklas av alternativa strategier i andra artiklar från Aalto-universitetets institution för tillämpad fysik, inklusive en tidigare uppsats av professor Lado. "Dessa resultat ger potentiellt en kolbaserad plattform för exploatering av tunga fermionfenomen i kvantteknologier, utan att kräva sällsynta jordartsmetaller, avslutar professor Lado.