3 października, 2024

MSPStandard

Znajdź wszystkie najnowsze artykuły i oglądaj programy telewizyjne, reportaże i podcasty związane z Polską

Nowy przełom w dziedzinie grafenu z MIT kształtuje przyszłość obliczeń kwantowych

Nowy przełom w dziedzinie grafenu z MIT kształtuje przyszłość obliczeń kwantowych

Częściowy kwantowy efekt Halla ogólnie obserwowano w bardzo silnych polach magnetycznych, ale fizycy z MIT zaobserwowali go teraz w prostym grafenie. W pięciowarstwowej supersieci grafenu/sześciokątnego azotku boru (hBN) elektrony (niebieska kula) silnie oddziałują ze sobą i zachowują się tak, jakby były podzielone na ładunki ułamkowe. Źródło: Sampson Wilcox, RLE

Zaobserwowano dziwny stan elektroniki Instytut Technologii w Massachusetts Fizycy mogą stworzyć potężniejsze formy Statystyka ilościowa.

Elektron jest podstawową jednostką energii elektrycznej, ponieważ niesie ze sobą pojedynczy ładunek ujemny. Tego właśnie nauczyliśmy się na fizyce w szkole średniej i dotyczy to w przeważającej mierze większości przedmiotów przyrodniczych.

Ale w bardzo szczególnych stanach materii elektrony mogą rozdzielić się na części całkowitej sumy. Zjawisko to, znane jako „ładunek częściowy”, jest niezwykle rzadkie i jeśli uda się je złapać i kontrolować, egzotyczny stan elektroniczny może pomóc w budowie elastycznych, odpornych na awarie komputerów kwantowych.

Jak dotąd efekt ten, znany fizykom jako „ułamkowy kwantowy efekt Halla”, był obserwowany wielokrotnie, głównie w bardzo wysokich i starannie utrzymywanych polach magnetycznych. Dopiero niedawno naukowcy odkryli ten efekt w materiale, który nie wymaga tak silnej manipulacji magnetycznej.

Teraz fizycy z MIT zaobserwowali nieuchwytny efekt ładunku częściowego, tym razem w prostszym materiale: pięciu warstwach… Grafen – To kukurydza– Cienka warstwa węgla pochodzi z grafitu i zwykłego ołowiu. O swoich odkryciach poinformowali 21 lutego w czasopiśmie Natura.

Zespół badawczy grafenu rozbija elektrony

Zdjęcie zespołu. Od lewej do prawej: Long Ju, badacz ze stopniem doktora Zhengguang Lu, odwiedzający student studiów licencjackich Yuxuan Yao, absolwent Tonghang Huang. Źródło: Jixiang Yang

Odkryli, że gdy pięć arkuszy grafenu ułoży się w stos niczym szczeble drabiny, powstała struktura z natury zapewnia odpowiednie warunki do przejścia elektronów w ramach ich całkowitego ładunku, bez potrzeby stosowania zewnętrznego pola magnetycznego.

Wyniki stanowią pierwszy dowód na „częściowy kwantowy anomalny efekt Halla” („anomalny” odnosi się do braku pola magnetycznego) w krystalicznym grafenie – materiale, w przypadku którego fizycy nie spodziewali się takiego efektu.

READ  W 1952 roku z nieba zniknęły trzy gwiazdy i do dziś nie możemy ich znaleźć. Alarm naukowy

„Ten pięciowarstwowy grafen to system materialny, w którym zdarza się wiele dobrych niespodzianek” – mówi autor badania Long Ju, adiunkt fizyki w MIT. „Ładunek ułamkowy jest bardzo dziwny i teraz możemy osiągnąć taki efekt, stosując znacznie prostszy system i bez pola magnetycznego. To samo w sobie jest ważne dla fizyki podstawowej. Mogłoby otworzyć możliwość bardziej niezawodnego rodzaju obliczeń kwantowych przed zakłóceniami.”

Współautorami z MIT są główny autor Zhengguang Lu, Tonghang Han, Yuxuan Yao, Aidan Reddy, Jixiang Yang, Junseok Seo i Liang Fu, a także Kenji Watanabe i Takashi Taniguchi z Narodowego Instytutu Nauki o Materiałach w Japonii.

Dziwny kraj

Częściowy kwantowy efekt Halla jest przykładem dziwnego zjawiska, które może wystąpić, gdy cząstki przestają zachowywać się jak pojedyncze jednostki, a zachowują się razem jako całość. To zbiorowe „spójne” zachowanie pojawia się w szczególnych przypadkach, na przykład gdy elektrony są zwalniane z ich normalnie szalonej prędkości do pełzania, które umożliwia cząsteczkom wzajemne wyczuwanie i interakcję. Te interakcje mogą powodować rzadkie stany elektronowe, takie jak niekonwencjonalny podział ładunku elektronów.

W 1982 roku naukowcy odkryli częściowy kwantowy efekt Halla w heterostrukturach arsenku galu, w których gaz elektronów zamknięty w dwuwymiarowej płaszczyźnie jest utrzymywany pod silnym polem magnetycznym. Odkrycie to doprowadziło później do otrzymania przez grupę Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki.

„[The discovery] „To był bardzo duży problem, ponieważ interakcja tych jednostek ładunku w sposób dający coś w rodzaju ładunku ułamkowego była bardzo dziwna” – mówi Joe. „W tamtym czasie nie było jeszcze przewidywań teoretycznych, a eksperymenty zaskoczyły wszystkich”.

Badacze ci osiągnęli swoje pionierskie wyniki, wykorzystując pola magnetyczne do spowolnienia elektronów materiału na tyle, aby mogły one wejść w interakcję. Pola, z którymi pracowali, były około 10 razy silniejsze niż te, które normalnie zasilają maszynę MRI.

W sierpniu 2023 roku naukowcy z uniwersytet Waszyngtoński Podał pierwszy dowód na istnienie ładunku częściowego bez pola magnetycznego. Zaobserwowali tę „anomalną” wersję efektu w skręconym półprzewodniku zwanym ditelluridem molibdenu. Grupa przygotowała materiał o określonej konfiguracji, która według przewidywań teoretyków nada materiałowi nieodłączne pole magnetyczne wystarczające do zachęcenia elektronów do rozdzielenia się bez zewnętrznej kontroli magnetycznej.

READ  Start NASA SpaceX Crew-8 został przełożony na niedzielny wieczór z powodu niesprzyjających warunków pogodowych

Wynik „brak magnesu” otworzył obiecującą ścieżkę do topologicznego przetwarzania kwantowego – bezpieczniejszej formy obliczeń kwantowych, w której dodatkowy składnik topologii (właściwość pozostająca niezmieniona w obliczu zniekształceń lub słabych zakłóceń) zapewnia dodatkową ochronę kubitu podczas wykonywania obliczeń. Ten schemat obliczeń opiera się na połączeniu częściowego kwantowego efektu Halla i nadprzewodnictwa. Uświadomienie sobie tego było prawie niemożliwe: do uzyskania częściowego ładunku potrzebne jest silne pole magnetyczne, podczas gdy to samo pole magnetyczne zwykle zabijałoby nadprzewodnik. W tym przypadku ładunkami ułamkowymi byłby kubit (podstawowa jednostka komputera kwantowego).

Robienie kroków

W tym samym miesiącu Gu i jego zespół zauważyli także oznaki anomalnego ładunku częściowego w grafenie – materiale, który nie miał wykazywać takiego efektu.

Grupa Gu badała zachowanie elektronów w grafenie, który sam w sobie wykazał wyjątkowe właściwości. Niedawno grupa Gu badała grafen pięciowarstwowy, strukturę składającą się z pięciu arkuszy grafenu, każdy ułożony w niewielkiej odległości od pozostałych, niczym szczeble drabiny. Ta pięciokątna struktura grafenu jest osadzona w graficie i można ją uzyskać poprzez eksfoliację taśmą klejącą. Po umieszczeniu w zamrażarce w bardzo niskich temperaturach elektrony w strukturze zwalniają, pełzając i reagują w sposób, w jaki normalnie nie zareagowałyby, poruszając się po wyższych temperaturach.

W swojej nowej pracy naukowcy przeprowadzili pewne obliczenia i odkryli, że elektrony mogłyby oddziaływać ze sobą silniej, gdyby pięciokątna struktura warstw została wyrównana z heksagonalnym azotkiem boru (hBN) – materiałem o strukturze atomowej podobnej do grafenu, ale o nieco innych wymiarach. Połączenie tych dwóch materiałów powinno stworzyć supersieć, złożoną strukturę atomową przypominającą rusztowanie, która może spowalniać ruch elektronów w sposób imitujący pole magnetyczne.

„Przeprowadziliśmy te obliczenia, a potem pomyśleliśmy: «Zróbmy to»” – mówi Joe, któremu zeszłego lata tak się złożyło, że zainstalował w swoim laboratorium na MIT nową lodówkę do rozcieńczania, której zespół planował używać do chłodzenia materiałów do ekstremalnie niskich temperatur. temperatury. Zachowanie elektroniczne.

READ  NASA wystrzeliwuje Capstone, 55-funtowego satelitę w kształcie sześcianu na Księżycu

Naukowcy wyprodukowali dwie próbki hybrydowej struktury grafenu, najpierw odrywając warstwy grafenu z bloku grafitu, a następnie za pomocą narzędzi optycznych zidentyfikowali pięciowarstwowe płatki w stopniowanej konfiguracji. Następnie wytłoczyli płytkę grafenową na płytce hBN i umieścili drugą płytkę hBN na wierzchu struktury grafenowej. Na koniec przymocowali elektrody do konstrukcji i umieścili ją w zamrażarce, a następnie umieścili w jej bliskiej odległości Zero absolutne.

Kiedy przyłożyli prąd do materiału i zmierzyli napięcie wyjściowe, zaczęli dostrzegać sygnatury ładunku ułamkowego, gdzie napięcie równa się prądowi pomnożonemu przez liczbę ułamkową i pewne podstawowe stałe fizyczne.

„W dniu, w którym go zobaczyliśmy, w pierwszej chwili go nie poznaliśmy” – mówi pierwszy autor Lu. „Potem zaczęliśmy krzyczeć, kiedy zdaliśmy sobie sprawę, że to naprawdę wielka sprawa. To był całkowicie zaskakujący moment. „

„Były to prawdopodobnie pierwsze poważne próbki, które umieściliśmy w nowej lodówce” – dodaje współautor Hahn. Kiedy się uspokoiliśmy, przyjrzeliśmy się szczegółom, aby upewnić się, że to, co widzimy, jest prawdziwe”.

W wyniku dalszej analizy zespół potwierdził, że struktura grafenu rzeczywiście wykazywała częściowy kwantowy anomalny efekt Halla. Po raz pierwszy wykazano ten efekt w przypadku grafenu.

„Grafen może być również nadprzewodnikiem” – mówi Gu. „Możesz więc uzyskać dwa zupełnie różne efekty w tym samym materiale, obok siebie. Jeśli użyjesz grafenu do rozmowy z grafenem, unikniesz wielu niepożądanych efektów, gdy połączysz grafen z innymi materiałami.”

Obecnie zespół kontynuuje badania wielowarstwowego grafenu pod kątem innych rzadkich stanów elektronowych.

„Zagłębiamy się, aby zbadać wiele podstawowych pomysłów i zastosowań fizyki” – mówi. „Wiemy, że będzie ich więcej”.

Odniesienie: „Częściowy kwantowy anomalny efekt Halla w grafenie wielowarstwowym” autorstwa Zhengguang Lu, Tonghang Han, Yuxuan Yao, Aidan P. Reddy, Jixiang Yang, Junseok Seo, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Liang Fu i Long Ju, 21 lutego 2024 r., Natura.
doi: 10.1038/s41586-023-07010-7

Badania te są częściowo wspierane przez Fundację Sloana i Narodową Fundację Nauki.