Under de senaste åren har ett fenomen som kallas quantum Hall-effekten dykt upp som en plattform för att hysa exotiska funktioner som kallas kvasipartiklar, med egenskaper som kan leda till spännande tillämpningar inom områden som kvantberäkning. När ett starkt magnetfält appliceras på ett 2D-material eller en gas, är elektronerna vid gränssnittet, till skillnad från de inom bulken, fria att röra sig längs kanterna i vad som kallas kantlägen eller kanaler - något liknande motorvägsbanor. Denna kantrörelse, som är kärnan i quantum Hall-effekten, kan leda till många intressanta egenskaper beroende på material och förutsättningar.

För konventionella elektroner flyter strömmen endast i en riktning som dikteras av magnetfältet ('nedströms'). Men fysiker har förutspått att vissa material kan ha mot-utbredningskanaler där vissa kvasipartiklar också kan färdas i motsatt ('uppströms') riktning. Även om dessa uppströmskanaler är av stort intresse för forskare eftersom de kan hysa en mängd nya typer av kvasipartiklar, har de varit extremt svåra att identifiera eftersom de inte bär någon elektrisk ström.

I en ny studie ger forskare från Indian Institute of Science (IISc) och internationella samarbetspartners "smoking gun"-bevis för närvaron av uppströmslägen längs vilka vissa neutrala kvasipartiklar rör sig i tvåskiktsgrafen. För att upptäcka dessa lägen eller kanaler använde teamet en ny metod som använder elektriskt brus - fluktuationer i utsignalen orsakade av värmeavledning.

"Även om excitationerna uppströms är laddningsneutrala, kan de bära värmeenergi och producera en brusfläck längs uppströmsriktningen", förklarar Anindya Das, docent vid institutionen för fysik och motsvarande författare till studien publicerad i Nature Communications .

Kvasipartiklar är till stor del excitationer som uppstår när elementära partiklar som elektroner interagerar mellan varandra eller med materia runt dem. De är inte riktigt partiklar men har liknande partiklar som massa och laddning. Det enklaste exemplet är ett "hål" - en vakans där en elektron saknas i ett givet energitillstånd i en halvledare. Den har en motsatt laddning till elektronen och kan röra sig inuti ett material precis som elektronen gör. Par av elektroner och hål kan också bilda kvasipartiklar som kan fortplanta sig längs materialets kant.

I tidigare studier har forskarna visat att det kan vara möjligt att upptäcka framväxande kvasipartiklar som Majorana-fermioner i grafen; förhoppningen är att utnyttja sådana kvasipartiklar för att så småningom bygga feltoleranta kvantdatorer. För att identifiera och studera sådana partiklar är det avgörande att upptäcka uppströmslägen som kan vara värd för dem. Även om sådana uppströmslägen har upptäckts tidigare i gallium-arsenidbaserade system, har ingen hittills identifierats i grafen och grafenbaserade material, som erbjuder mycket mer lovande när det kommer till futuristiska tillämpningar.

I den aktuella studien, när forskarna applicerade en elektrisk potential på kanten av tvåskiktsgrafen, fann de att värme endast transporterades i uppströmskanalerna och försvann vid vissa "hotspots" i den riktningen. På dessa ställen genererade värmen elektriskt brus som kunde plockas upp av en elektrisk resonanskrets och spektrumanalysator.

Författarna fann också att rörelsen av dessa kvasipartiklar i uppströmskanalerna var "ballistisk" - värmeenergi flödade från en hotspot till en annan utan några förluster - till skillnad från den "diffusiva" transport som observerats tidigare i gallium-arsenidbaserade system. En sådan ballistisk rörelse är också en indikation på förekomsten av exotiska tillstånd och funktioner som kan hjälpa till att bygga energieffektiva och felfria kvantkomponenter i framtiden, enligt författarna. + Utforska vidare

Exotiska kvantpartiklar – mindre magnetfält krävs