Onderzoekers van de Brown- en Columbia-universiteiten hebben voorheen onbekende toestanden van materie aangetoond die zich voordoen in dubbellaagse stapels grafeen, een tweedimensionaal nanomateriaal. Deze nieuwe staten, bekend als het fractionele quantum Hall-effect, ontstaan ​​door de complexe interacties van elektronen zowel binnen als tussen grafeenlagen.

"De bevindingen tonen aan dat het dicht bij elkaar stapelen van 2D-materialen geheel nieuwe fysica genereert, " zei Jia Li, assistent-professor natuurkunde bij Brown, die dit werk begon terwijl een postdoc bij Columbia samenwerkte met Cory Dean, hoogleraar natuurkunde, en Jim Hone, hoogleraar werktuigbouwkunde. "Op het gebied van materiaalkunde, dit werk laat zien dat deze gelaagde systemen levensvatbaar kunnen zijn bij het creëren van nieuwe soorten elektronische apparaten die profiteren van deze nieuwe quantum Hall-toestanden."

Het onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Natuurfysica .

belangrijk, zegt Hon, Wang Fong-Jen hoogleraar werktuigbouwkunde aan Columbia Engineering, verschillende van deze nieuwe quantum Hall-staten "kunnen nuttig zijn bij het maken van fouttolerante kwantumcomputers."

Het Hall-effect treedt op wanneer een magnetisch veld wordt aangelegd op een geleidend materiaal in een loodrechte richting op een stroom. Het magnetische veld zorgt ervoor dat de stroom afbuigt, het creëren van een spanning in de dwarsrichting, de Hall-spanning genoemd. De sterkte van de Hall-spanning neemt toe met de sterkte van het magnetische veld. De kwantumversie van het Hall-effect werd voor het eerst ontdekt in experimenten die in 1980 werden uitgevoerd bij lage temperaturen en sterke magnetische velden. De experimenten toonden aan dat in plaats van geleidelijk toe te nemen met de magnetische veldsterkte, de Hall-spanning neemt stapsgewijs (of gekwantiseerd) toe. Deze stappen zijn gehele veelvouden van fundamentele natuurconstanten en zijn volledig onafhankelijk van de fysieke samenstelling van het materiaal dat in de experimenten wordt gebruikt. De ontdekking werd in 1985 bekroond met de Nobelprijs voor de natuurkunde.

Een paar jaar later, onderzoekers die werkten bij temperaturen in de buurt van het absolute nulpunt en met zeer sterke magnetische velden, vonden nieuwe soorten kwantum Hall-toestanden waarin de kwantumstappen in Hall-spanning overeenkomen met fractionele getallen, vandaar de naam fractioneel quantum Hall-effect. De ontdekking van het fractionele kwantum Hall-effect won opnieuw een Nobelprijs, in 1998. Theoretici stelden later dat het fractionele quantum Hall-effect verband houdt met de vorming van quasi-deeltjes die composietfermionen worden genoemd. In deze staat, elk elektron combineert met een kwantum van magnetische flux om een ​​samengesteld fermion te vormen dat een fractie van een elektronenlading draagt ​​die aanleiding geeft tot de fractionele waarden in Hall-spanning.

De samengestelde fermiontheorie is succesvol geweest in het verklaren van een groot aantal verschijnselen die zijn waargenomen in systemen met één kwantumput. Dit nieuwe onderzoek gebruikte dubbellaags grafeen om te onderzoeken wat er gebeurt als twee kwantumbronnen dicht bij elkaar worden gebracht. De theorie had gesuggereerd dat de interactie tussen twee lagen zou leiden tot een nieuw type composietfermion, maar dit was nog nooit bij experimenten waargenomen.

Voor de experimenten, het team bouwde voort op vele jaren werk bij Columbia om de kwaliteit van grafeenapparaten te verbeteren, het creëren van ultraschone apparaten volledig van atomair vlakke 2D-materialen. De kern van de structuur bestaat uit twee grafeenlagen gescheiden door een dunne laag hexagonaal boornitride als isolerende barrière. De dubbellaagse structuur is ingekapseld door hexagonaal boornitride als beschermende isolator, en grafiet als geleidende poort om de ladingsdragerdichtheid in het kanaal te veranderen.

"Wederom heeft de ongelooflijke veelzijdigheid van grafeen ons in staat gesteld om de grenzen van apparaatstructuren verder te verleggen dan voorheen mogelijk was." zegt Daan, een professor in de natuurkunde aan de Columbia University. "De precisie en afstembaarheid waarmee we deze apparaten kunnen maken, stelt ons nu in staat om een ​​heel rijk van de natuurkunde te verkennen waarvan onlangs werd gedacht dat het totaal ontoegankelijk was."

De grafeenstructuren werden vervolgens blootgesteld aan sterke magnetische velden - miljoenen keren sterker dan het magnetische veld van de aarde. Het onderzoek leverde een reeks fractionele quantum Hall-toestanden op, waarvan sommige een uitstekende overeenkomst vertonen met het samengestelde fermionmodel, en sommige die nooit waren voorspeld of gezien.

"Afgezien van de tussenlaagse composietfermionen, we hebben andere kenmerken waargenomen die niet kunnen worden verklaard binnen het samengestelde fermionmodel, " zei Qianhui Shi, de co-eerste auteur van het papier en postdoctoraal onderzoeker aan Columbia. "Een meer zorgvuldige studie onthulde dat, tot onze verbazing, deze nieuwe toestanden zijn het gevolg van paring tussen samengestelde fermionen. Koppelingsinteractie tussen aangrenzende lagen en binnen dezelfde laag geeft aanleiding tot een verscheidenheid aan nieuwe kwantumfenomenen, waardoor dubbellaags grafeen een opwindend platform is om te bestuderen."

"Van bijzonder belang, " zegt Hon, "zijn verschillende nieuwe staten die het potentieel hebben om niet-Abelse golffuncties te herbergen - staten die niet helemaal passen in het traditionele samengestelde fermionmodel." In niet-Abelse staten, elektronen behouden een soort "geheugen" van hun vroegere posities ten opzichte van elkaar. Dat heeft potentieel om kwantumcomputers mogelijk te maken die geen foutcorrectie vereisen, wat momenteel een groot struikelblok is in het veld.

"Dit zijn de eerste nieuwe kandidaten voor niet-Abelse staten in 30 jaar, "Zei Dean. "Het is echt opwindend om nieuwe natuurkunde te zien ontstaan ​​uit onze experimenten."

De studie is getiteld "Koppelingstoestanden van composietfermionen in dubbellaags grafeen."