Wetenschap

Science >> Wetenschap > >> Fysica

Elektronen worden fracties van zichzelf in grafeen, zo blijkt uit onderzoek

Ju's MIT-coauteurs zijn hoofdauteur Zhengguang Lu, Tonghang Han, Yuxuan Yao, Aidan Reddy, Jixiang Yang, Junseok Seo en Liang Fu, samen met Kenji Watanabe en Takashi Taniguchi van het National Institute for Materials Science in Japan.

Een bizarre toestand

Het fractionele quantum Hall-effect is een voorbeeld van de vreemde verschijnselen die kunnen ontstaan wanneer deeltjes zich niet meer als individuele eenheden gedragen, maar samen als geheel optreden. Dit collectieve ‘gecorreleerde’ gedrag komt naar voren in speciale toestanden, bijvoorbeeld wanneer elektronen worden afgeremd van hun normaal hectische tempo naar een kruipbeweging die de deeltjes in staat stelt elkaar waar te nemen en met elkaar te interacteren. Deze interacties kunnen zeldzame elektronische toestanden veroorzaken, zoals de ogenschijnlijk onorthodoxe splitsing van de lading van een elektron.

In 1982 ontdekten wetenschappers het fractionele kwantum-Hall-effect in heterostructuren van galliumarsenide, waarbij een gas van elektronen opgesloten in een tweedimensionaal vlak onder hoge magnetische velden wordt geplaatst. De ontdekking leverde de groep later een Nobelprijs voor de Natuurkunde op.

"[De ontdekking] was een heel groot probleem, omdat deze eenheidsladingen op een manier met elkaar in wisselwerking stonden en zoiets als een fractionele lading gaven, heel erg bizar was", zegt Ju. "Destijds waren er geen theoretische voorspellingen en de experimenten verrasten iedereen."

Die onderzoekers bereikten hun baanbrekende resultaten door magnetische velden te gebruiken om de elektronen van het materiaal voldoende te vertragen zodat ze konden interageren. De velden waarmee ze werkten waren ongeveer tien keer sterker dan wat doorgaans een MRI-machine aandrijft.

In augustus 2023 rapporteerden wetenschappers van de Universiteit van Washington het eerste bewijs van fractionele lading zonder magnetisch veld. Ze observeerden deze "afwijkende" versie van het effect in een gedraaide halfgeleider genaamd molybdeen ditelluride. De groep bereidde het materiaal voor in een specifieke configuratie, waarvan theoretici voorspelden dat deze het materiaal een inherent magnetisch veld zou geven, voldoende om elektronen aan te moedigen te fractioneren zonder enige externe magnetische controle.

Het resultaat 'geen magneten' opende een veelbelovende route naar topologische kwantumcomputing - een veiligere vorm van kwantumcomputing, waarbij het toegevoegde ingrediënt van topologie (een eigenschap die onveranderd blijft bij zwakke vervorming of verstoring) een qubit extra bescherming geeft bij het uitvoeren van een berekening.

Dit berekeningsschema is gebaseerd op een combinatie van een fractioneel kwantum-Hall-effect en een supergeleider. Vroeger was het bijna onmogelijk om te beseffen:je hebt een sterk magnetisch veld nodig om een fractionele lading te krijgen, terwijl hetzelfde magnetische veld meestal de supergeleider doodt. In dit geval zouden de fractionele ladingen dienen als een qubit (de basiseenheid van een kwantumcomputer).

Een foto van het team. Van links naar rechts:Long Ju, postdoc Zhengguang Lu, op bezoek bij student Yuxuan Yao, afgestudeerde student Tonghang Hang. Credit:Jixiang Yang

Stappen maken

Diezelfde maand observeerden Ju en zijn team ook tekenen van afwijkende fractionele lading in grafeen, een materiaal waarvoor geen voorspellingen bestonden die een dergelijk effect zouden vertonen.

De groep van Ju heeft elektronisch gedrag in grafeen onderzocht, dat op zichzelf uitzonderlijke eigenschappen vertoont. Recentelijk heeft de groep van Ju onderzoek gedaan naar vijflaags grafeen, een structuur van vijf lagen grafeen, elk iets van elkaar af gestapeld, als treden op een trap.

Een dergelijke vijflaagse grafeenstructuur is ingebed in grafiet en kan worden verkregen door exfoliatie met plakband. Wanneer ze bij ultrakoude temperaturen in een koelkast worden geplaatst, gaan de elektronen van de structuur langzaam kruipen en interacteren op een manier die ze normaal niet zouden doen als ze bij hogere temperaturen rondsuizen.

In hun nieuwe werk voerden de onderzoekers enkele berekeningen uit en ontdekten dat elektronen nog sterker met elkaar zouden kunnen interageren als de vijflaagse structuur zou worden uitgelijnd met hexagonaal boornitride (hBN) – een materiaal dat een vergelijkbare atomaire structuur heeft als die van grafeen, maar met iets andere afmetingen.

In combinatie zouden de twee materialen een moiré-superrooster moeten produceren:een ingewikkelde, steigerachtige atomaire structuur die elektronen zou kunnen vertragen op manieren die een magnetisch veld nabootsen.

"We hebben deze berekeningen gemaakt en dachten toen:laten we ervoor gaan", zegt Ju, die afgelopen zomer toevallig een nieuwe verdunningskoelkast in zijn MIT-lab installeerde, die het team van plan was te gebruiken om materialen af te koelen tot ultralage temperaturen, om bestudeer exotisch elektronisch gedrag.

De onderzoekers vervaardigden twee monsters van de hybride grafeenstructuur door eerst grafeenlagen uit een blok grafiet te exfoliëren en vervolgens optische hulpmiddelen te gebruiken om vijflaagse vlokken in de stapachtige configuratie te identificeren. Vervolgens stampten ze de grafeenvlok op een hBN-vlok en plaatsten een tweede hBN-vlok over de grafeenstructuur. Ten slotte bevestigden ze elektroden op de structuur en plaatsten deze in de koelkast, ingesteld op bijna het absolute nulpunt.

Toen ze een stroom op het materiaal toepasten en de uitgangsspanning maten, begonnen ze tekenen van fractionele lading te zien, waarbij de spanning gelijk was aan de stroom vermenigvuldigd met een fractioneel getal en enkele fundamentele natuurkundige constanten.

"De dag dat we het zagen, herkenden we het eerst niet", zegt eerste auteur Lu. "Toen begonnen we te schreeuwen toen we beseften dat dit echt groots was. Het was een compleet verrassend moment."

"Dit waren waarschijnlijk de eerste serieuze monsters die we in de nieuwe koelkast stopten", voegt co-eerste auteur Han toe. "Toen we eenmaal gekalmeerd waren, keken we gedetailleerd om er zeker van te zijn dat wat we zagen echt was."

Met verdere analyse bevestigde het team dat de grafeenstructuur inderdaad het fractionele kwantum-abnormale Hall-effect vertoonde. Het is de eerste keer dat dit effect in grafeen wordt waargenomen.

"Grafeen kan ook een supergeleider zijn", zegt Ju. "Je zou dus twee totaal verschillende effecten in hetzelfde materiaal kunnen hebben, vlak naast elkaar. Als je grafeen gebruikt om met grafeen te praten, vermijd je veel ongewenste effecten bij het overbruggen van grafeen met andere materialen."

Voorlopig blijft de groep meerlaags grafeen onderzoeken voor andere zeldzame elektronische toestanden.

"We duiken erin om veel fundamentele natuurkundige ideeën en toepassingen te onderzoeken", zegt hij. "We weten dat er nog meer zullen volgen."

Meer informatie: Long Ju, fractioneel kwantum-abnormaal Hall-effect in meerlaags grafeen, Natuur (2024). DOI:10.1038/s41586-023-07010-7. www.nature.com/articles/s41586-023-07010-7
Journaalinformatie: Natuur

Aangeboden door Massachusetts Institute of Technology

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.

Ju's MIT-coauteurs zijn hoofdauteur Zhengguang Lu, Tonghang Han, Yuxuan Yao, Aidan Reddy, Jixiang Yang, Junseok Seo en Liang Fu, samen met Kenji Watanabe en Takashi Taniguchi van het National Institute for Materials Science in Japan.

Een bizarre toestand

Het fractionele quantum Hall-effect is een voorbeeld van de vreemde verschijnselen die kunnen ontstaan wanneer deeltjes zich niet meer als individuele eenheden gedragen, maar samen als geheel optreden. Dit collectieve ‘gecorreleerde’ gedrag komt naar voren in speciale toestanden, bijvoorbeeld wanneer elektronen worden afgeremd van hun normaal hectische tempo naar een kruipbeweging die de deeltjes in staat stelt elkaar waar te nemen en met elkaar te interacteren. Deze interacties kunnen zeldzame elektronische toestanden veroorzaken, zoals de ogenschijnlijk onorthodoxe splitsing van de lading van een elektron.

In 1982 ontdekten wetenschappers het fractionele kwantum-Hall-effect in heterostructuren van galliumarsenide, waarbij een gas van elektronen opgesloten in een tweedimensionaal vlak onder hoge magnetische velden wordt geplaatst. De ontdekking leverde de groep later een Nobelprijs voor de Natuurkunde op.

"[De ontdekking] was een heel groot probleem, omdat deze eenheidsladingen op een manier met elkaar in wisselwerking stonden en zoiets als een fractionele lading gaven, heel erg bizar was", zegt Ju. "Destijds waren er geen theoretische voorspellingen en de experimenten verrasten iedereen."

Die onderzoekers bereikten hun baanbrekende resultaten door magnetische velden te gebruiken om de elektronen van het materiaal voldoende te vertragen zodat ze konden interageren. De velden waarmee ze werkten waren ongeveer tien keer sterker dan wat doorgaans een MRI-machine aandrijft.

In augustus 2023 rapporteerden wetenschappers van de Universiteit van Washington het eerste bewijs van fractionele lading zonder magnetisch veld. Ze observeerden deze "afwijkende" versie van het effect in een gedraaide halfgeleider genaamd molybdeen ditelluride. De groep bereidde het materiaal voor in een specifieke configuratie, waarvan theoretici voorspelden dat deze het materiaal een inherent magnetisch veld zou geven, voldoende om elektronen aan te moedigen te fractioneren zonder enige externe magnetische controle.

Het resultaat 'geen magneten' opende een veelbelovende route naar topologische kwantumcomputing - een veiligere vorm van kwantumcomputing, waarbij het toegevoegde ingrediënt van topologie (een eigenschap die onveranderd blijft bij zwakke vervorming of verstoring) een qubit extra bescherming geeft bij het uitvoeren van een berekening.

Dit berekeningsschema is gebaseerd op een combinatie van een fractioneel kwantum-Hall-effect en een supergeleider. Vroeger was het bijna onmogelijk om te beseffen:je hebt een sterk magnetisch veld nodig om een fractionele lading te krijgen, terwijl hetzelfde magnetische veld meestal de supergeleider doodt. In dit geval zouden de fractionele ladingen dienen als een qubit (de basiseenheid van een kwantumcomputer).

Een foto van het team. Van links naar rechts:Long Ju, postdoc Zhengguang Lu, op bezoek bij student Yuxuan Yao, afgestudeerde student Tonghang Hang. Credit:Jixiang Yang

Stappen maken

Diezelfde maand observeerden Ju en zijn team ook tekenen van afwijkende fractionele lading in grafeen, een materiaal waarvoor geen voorspellingen bestonden die een dergelijk effect zouden vertonen.

De groep van Ju heeft elektronisch gedrag in grafeen onderzocht, dat op zichzelf uitzonderlijke eigenschappen vertoont. Recentelijk heeft de groep van Ju onderzoek gedaan naar vijflaags grafeen, een structuur van vijf lagen grafeen, elk iets van elkaar af gestapeld, als treden op een trap.

Een dergelijke vijflaagse grafeenstructuur is ingebed in grafiet en kan worden verkregen door exfoliatie met plakband. Wanneer ze bij ultrakoude temperaturen in een koelkast worden geplaatst, gaan de elektronen van de structuur langzaam kruipen en interacteren op een manier die ze normaal niet zouden doen als ze bij hogere temperaturen rondsuizen.

In hun nieuwe werk voerden de onderzoekers enkele berekeningen uit en ontdekten dat elektronen nog sterker met elkaar zouden kunnen interageren als de vijflaagse structuur zou worden uitgelijnd met hexagonaal boornitride (hBN) – een materiaal dat een vergelijkbare atomaire structuur heeft als die van grafeen, maar met iets andere afmetingen.

In combinatie zouden de twee materialen een moiré-superrooster moeten produceren:een ingewikkelde, steigerachtige atomaire structuur die elektronen zou kunnen vertragen op manieren die een magnetisch veld nabootsen.

"We hebben deze berekeningen gemaakt en dachten toen:laten we ervoor gaan", zegt Ju, die afgelopen zomer toevallig een nieuwe verdunningskoelkast in zijn MIT-lab installeerde, die het team van plan was te gebruiken om materialen af te koelen tot ultralage temperaturen, om bestudeer exotisch elektronisch gedrag.

De onderzoekers vervaardigden twee monsters van de hybride grafeenstructuur door eerst grafeenlagen uit een blok grafiet te exfoliëren en vervolgens optische hulpmiddelen te gebruiken om vijflaagse vlokken in de stapachtige configuratie te identificeren. Vervolgens stampten ze de grafeenvlok op een hBN-vlok en plaatsten een tweede hBN-vlok over de grafeenstructuur. Ten slotte bevestigden ze elektroden op de structuur en plaatsten deze in de koelkast, ingesteld op bijna het absolute nulpunt.

Toen ze een stroom op het materiaal toepasten en de uitgangsspanning maten, begonnen ze tekenen van fractionele lading te zien, waarbij de spanning gelijk was aan de stroom vermenigvuldigd met een fractioneel getal en enkele fundamentele natuurkundige constanten.

"De dag dat we het zagen, herkenden we het eerst niet", zegt eerste auteur Lu. "Toen begonnen we te schreeuwen toen we beseften dat dit echt groots was. Het was een compleet verrassend moment."

"Dit waren waarschijnlijk de eerste serieuze monsters die we in de nieuwe koelkast stopten", voegt co-eerste auteur Han toe. "Toen we eenmaal gekalmeerd waren, keken we gedetailleerd om er zeker van te zijn dat wat we zagen echt was."

Met verdere analyse bevestigde het team dat de grafeenstructuur inderdaad het fractionele kwantum-abnormale Hall-effect vertoonde. Het is de eerste keer dat dit effect in grafeen wordt waargenomen.

"Grafeen kan ook een supergeleider zijn", zegt Ju. "Je zou dus twee totaal verschillende effecten in hetzelfde materiaal kunnen hebben, vlak naast elkaar. Als je grafeen gebruikt om met grafeen te praten, vermijd je veel ongewenste effecten bij het overbruggen van grafeen met andere materialen."

Voorlopig blijft de groep meerlaags grafeen onderzoeken voor andere zeldzame elektronische toestanden.

"We duiken erin om veel fundamentele natuurkundige ideeën en toepassingen te onderzoeken", zegt hij. "We weten dat er nog meer zullen volgen."

Meer informatie: Long Ju, fractioneel kwantum-abnormaal Hall-effect in meerlaags grafeen, Natuur (2024). DOI:10.1038/s41586-023-07010-7. www.nature.com/articles/s41586-023-07010-7
Journaalinformatie: Natuur

Aangeboden door Massachusetts Institute of Technology

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.

Plasmawetenschappers ontwikkelen computerprogramma's die de kosten van microchips kunnen verlagen en de productie kunnen stimuleren

Een nieuwe fase van de materie:natuurkundigen bereiken de eerste demonstratie van niet-Abelse anyons in een kwantumprocessor

Hoofdlijnen

Elektronica
Biologie
Zonsverduistering
Wiskunde
French | Italian | Spanish | Portuguese | Swedish | German | Dutch | Danish | Norway |

Wetenschap © https://nl.scienceaq.com