Columbia-onderzoekers hebben het fractionele quantum Hall-effect waargenomen in dubbellaags grafeen en hebben aangetoond dat deze exotische toestand van materie kan worden afgestemd door een elektrisch veld.

Het fractionele quantum Hall-effect, die kan optreden wanneer elektronen die zijn beperkt tot dunne platen worden blootgesteld aan grote magnetische velden, is een treffend voorbeeld van collectief gedrag waarbij duizenden individuele elektronen zich als één systeem gedragen. Echter, hoewel de basistheorie die dit effect beschrijft goed ingeburgerd is, veel details van dit collectieve gedrag blijven niet goed begrepen, gedeeltelijk omdat het alleen waarneembaar is in systemen met een extreem lage wanorde.

grafeen, een atomair dunne laag koolstof, is een veelbelovend materiaal voor studie van het fractionele quantum Hall-effect, zowel omdat het een bijna defectvrij kristal kan zijn, en omdat onderzoekers de ladingsdichtheid kunnen 'afstemmen' met een externe metalen 'poort'-elektrode en kunnen observeren hoe de kwantumtoestanden als reactie daarop evolueren. In de afgelopen jaren, een gezamenlijke inspanning aan de Columbia University met onderzoekers van werktuigbouwkunde, Elektrotechniek en natuurkunde, een reeks baanbrekende fabricagetechnieken ontwikkeld om van deze mogelijkheid te profiteren, waardoor ze de eerste waarneming van het fractionele quantum Hall-effect in grafeen in 2009 konden rapporteren en de eerste brede afstemming van het effect in 2011.

Een nog interessanter systeem voor het bestuderen van het fractionele quantum Hall-effect is het zogenaamde bilayer grafeen, die bestaat uit twee op elkaar gestapelde grafeenvellen. In dit materiaal, gebruik van twee metalen poortelektroden (boven en onder) maakt onafhankelijke afstemming van de ladingsdichtheid in elke laag mogelijk, wat een volledig nieuwe manier biedt om de fractionele quantum Hall-toestanden te manipuleren. Vooral, theorie voorspelt dat het mogelijk moet zijn om exotische 'niet-abelse' toestanden te creëren die kunnen worden gebruikt voor kwantumberekening.

Terwijl observatie van het fractionele quantum Hall-effect in enkellaags grafeen eenvoudigweg schonere apparaten vereiste, het observeren van dit effect in dubbellaags grafeen bleek moeilijker. "We wisten dat we zeer schone dubbellaagse grafeenstructuren konden maken, maar we leden aan ons onvermogen om goed elektrisch contact te maken, omdat dubbellaags grafeen een elektronische 'band-gap' ontwikkelt onder de hoge magnetische velden en lage temperaturen die nodig zijn voor onze experimenten, " zegt Cory Dean, hoogleraar natuurkunde die onlangs naar Columbia University is verhuisd, en hoofdauteur op het papier. Een cruciale doorbraak was het herontwerp van de apparaten, zodat de ladingsdichtheid in de contactgebieden onafhankelijk van de rest van het apparaat kon worden afgesteld. waardoor ze een goed elektrisch contact konden behouden, zelfs onder grote magnetische velden. "Toen we eenmaal deze nieuwe apparaatstructuur hadden, waren de resultaten spectaculair."

Rapportage in de 4 juli, 2014 editie van Wetenschap , het team demonstreert het bestaan ​​van het fractionele quantum Hall-effect in dubbellaags grafeen en toont bewijs van een controleerbare faseovergang door toepassing van elektrische velden. Een van de belangrijkste vragen om het fractionele quantum Hall-effect in elk systeem te begrijpen, is het identificeren van de volgorde die is gekoppeld aan de grondtoestand. Bijvoorbeeld, dragen alle elektronen die in de collectieve toestand zijn geassocieerd dezelfde spin? In dubbellaags grafeen is deze vraag complexer omdat er verschillende graden van symmetrie tegelijk in het spel zijn. Naast draaien, elektronen kunnen polariseren door spontaan volledig op de ene laag ten opzichte van de andere te verblijven. Deze complexiteit biedt een interessante nieuwe faseruimte om te verkennen voor nieuwe en ongebruikelijke effecten. Vooral, verschillende theorieën hebben voorspeld dat toepassing van elektrische velden op dubbellaags grafeen overgangen tussen deze grondtoestandsorden mogelijk zou kunnen maken. "Dit is een nieuwe experimentele knop die gewoon niet beschikbaar is in andere systemen, " zegt James Hone, een hoogleraar Werktuigbouwkunde en co-auteur van het papier. Het team heeft voor het eerst bevestigd dat het variëren van het aangelegde elektrische veld een faseovergang veroorzaakt, maar de precieze aard van deze verschillende fasen blijft een open vraag. "Terwijl de theorie verwacht dat we de grondtoestandsorde kunnen afstemmen, de complexiteit van het systeem maakt het moeilijk om precies te bepalen welke opdracht daadwerkelijk wordt gerealiseerd, ", zegt natuurkundehoogleraar en co-auteur Philip Kim.

"Dit is waar de volgende fase van ons onderzoek naartoe gaat, ", zegt Dean. "De implicaties voor dit resultaat kunnen verstrekkend zijn, " hij voegt toe, "Hoewel we nog geen enkel bewijs zien van niet-abelse staten, het feit dat we in staat zijn om de aard van het fractionele quantum Hall-effect door elektrische velden te wijzigen, is een heel opwindende eerste stap."

Hoewel eerdere inspanningen verschillende aspecten van de steekproefvereiste hebben kunnen aantonen, geen enkele andere groep is erin geslaagd dit allemaal in één apparaat samen te brengen. Dean schrijft dit succes toe aan de unieke samenwerkingsomgeving die aan de Columbia University wordt gecultiveerd. "Dit is echt een opmerkelijke omgeving, " hij zegt, toevoegen, "De open uitwisseling van ideeën tussen verschillende disciplines maakt de omgeving in Columbia een vruchtbare voedingsbodem voor geweldige wetenschap." De fabricage van het apparaat en de eerste tests werden gedaan aan de Columbia University. Metingen onder grote magnetische velden werden vervolgens uitgevoerd door het Columbia-team met behulp van de gebruikersfaciliteit van het National High Magnetic Field Laboratory in Tallahassee, Florida. "We hebben gedurende vele jaren een fantastische relatie opgebouwd met de NHFML, " zegt Dean. "De steun van het NHMFL-personeel op zowel technisch als wetenschappelijk niveau is van onschatbare waarde geweest voor onze inspanningen."