Pak een potlood. Maak een markering op een stuk papier. Gefeliciteerd:je bent bezig met geavanceerde fysica van de gecondenseerde materie. Misschien zet u zelfs de eerste stap op weg naar kwantumcomputers, volgens nieuw Perimeter-onderzoek.

Introductie van grafeen

Een van de heetste materialen in het onderzoek naar gecondenseerde materie is tegenwoordig grafeen.

Grafeen had een onwaarschijnlijke start:het begon met onderzoekers die aan het rommelen waren met potloodstrepen op papier. Potlood "lood" is eigenlijk gemaakt van grafiet, dat is een zacht kristalrooster gemaakt van niets anders dan koolstofatomen. Als potloden dat grafiet op papier zetten, het rooster wordt in dunne platen gelegd. Door dat rooster uit elkaar te trekken in dunnere platen - oorspronkelijk met plakband - ontdekten onderzoekers dat ze kristalvlokken van slechts één atoom dik konden maken.

De naam voor dit kippengaas op atoomschaal is grafeen. Die mensen met de plakband, Andre Geim en Konstantin Novoselov, won in 2010 de Nobelprijs voor de ontdekking ervan. "Als materiaal het is volledig nieuw - niet alleen de dunste ooit, maar ook de sterkste, ' schreef het Nobelcomité. 'Als geleider van elektriciteit, het presteert net zo goed als koper. Als warmtegeleider het overtreft alle andere bekende materialen. Het is bijna volledig transparant, maar toch zo dicht dat zelfs helium niet, het kleinste gasatoom, kan er doorheen."

Een theoretisch model van grafeen ontwikkelen

Grafeen is niet alleen een praktisch wonder - het is ook een wonderland voor theoretici. Beperkt tot het tweedimensionale oppervlak van het grafeen, de elektronen gedragen zich vreemd. Allerlei nieuwe fenomenen zijn te zien, en nieuwe ideeën kunnen worden getest. Het testen van nieuwe ideeën in grafeen is precies wat Perimeter-onderzoekers Zlatko Papić en Dmitry (Dima) Abanin wilden doen.

"Dima en ik begonnen heel lang geleden aan grafeen te werken, " zegt Papić. "We ontmoetten elkaar voor het eerst in 2009 op een conferentie in Zweden. Ik was een afgestudeerde student en Dima zat in het eerste jaar van zijn postdoc, I denk."

De twee jonge wetenschappers raakten in gesprek over welke nieuwe fysica ze zouden kunnen waarnemen in het vreemde nieuwe materiaal wanneer het wordt blootgesteld aan een sterk magnetisch veld.

"We besloten dat we het materiaal wilden modelleren, " zegt Papić. Ze hebben gewerkt aan hun theoretische model van grafeen, aan en uit, sindsdien. De twee zijn nu allebei bij het Perimeter Institute, waar Papić een postdoctoraal onderzoeker is en Abanin een faculteitslid is. Ze zijn allebei aangesteld met het Institute for Quantum Computing (IQC) van de Universiteit van Waterloo.

In januari 2014, ze publiceerden een paper in Fysieke beoordelingsbrieven (PRL) met nieuwe ideeën over hoe een vreemde maar interessante toestand in grafeen kan worden opgewekt - een toestand waarin het lijkt alsof deeltjes erin een fractie van de lading van een elektron hebben.

Het wordt het fractionele kwantum Hall-effect (FQHE) genoemd, en het draait om het hoofd. Zoals de lichtsnelheid of de constante van Planck, de lading van het elektron is een vast punt in het desoriënterende kwantumuniversum.

Elk systeem in het universum draagt ​​hele veelvouden van de lading van een enkel elektron. Toen de FQHE voor het eerst werd ontdekt in de jaren 80, natuurkundigen van gecondenseerde materie kwamen er snel achter dat de fractioneel geladen "deeltjes" in hun halfgeleiders eigenlijk quasideeltjes waren - dat wil zeggen, opkomende collectieve gedragingen van het systeem die deeltjes imiteren.

Grafeen is een ideaal materiaal om de FQHE in te bestuderen. "Omdat het maar één atoom dik is, u heeft directe toegang tot de oppervlakte, " zegt Papić. "In halfgeleiders, waar FQHE voor het eerst werd waargenomen, het gas van elektronen dat dit effect creëert, is diep in het materiaal begraven. Ze zijn moeilijk toegankelijk en te manipuleren. Maar met grafeen kun je je voorstellen dat je deze toestanden veel gemakkelijker kunt manipuleren."

In de krant van januari Abanin en Papić rapporteerden nieuwe soorten FQHE-toestanden die zouden kunnen ontstaan ​​​​in dubbellaags grafeen - dat wil zeggen, in twee vellen grafeen die op elkaar zijn gelegd - wanneer het in een sterk loodrecht magnetisch veld wordt geplaatst. In een eerder werk uit 2012 ze voerden aan dat het aanbrengen van een elektrisch veld over het oppervlak van dubbellaags grafeen een unieke experimentele knop zou kunnen bieden om overgangen tussen FQHE-toestanden te induceren. Door de twee effecten te combineren, ze hadden ruzie, zou een ideale manier zijn om naar speciale FQHE-statussen en de overgangen daartussen te kijken.

Experimentele tests

Twee experimentele groepen – een in Genève, waarbij Abanin betrokken is, en een in Columbia, waarbij zowel Abanin als Papić betrokken waren – hebben sindsdien de methode van elektrisch veld + magnetisch veld goed gebruikt. Het artikel van de Columbia-groep verschijnt in het nummer van 4 juli van: Wetenschap . Een derde groep, onder leiding van Amir Yacoby van Harvard, doet nauw verwant werk.

"We werken vaak hand in hand met experimentatoren, ", zegt Papić. "Een van de redenen waarom ik van gecondenseerde materie houd, is dat vaak zelfs de meest geavanceerde, cutting-edge theorie heeft een goede kans om snel te worden gecontroleerd met experiment."

Binnen zowel het magnetische als het elektrische veld, de elektrische weerstand van het grafeen demonstreert het vreemde gedrag dat kenmerkend is voor de FQHE. In plaats van weerstand die varieert in een vloeiende curve met spanning, weerstand springt plotseling van het ene niveau naar het andere, en dan plateaus – een soort weerstandstrap. Elke traptrede is een andere staat van materie, gedefinieerd door de complexe kwantumkluwen van ladingen, draait, en andere eigenschappen in het grafeen.

"Het aantal staten is behoorlijk rijk, " zegt Papić. "We zijn erg geïnteresseerd in dubbellaags grafeen vanwege het aantal toestanden dat we detecteren en omdat we deze mechanismen hebben - zoals het afstemmen van het elektrische veld - om te bestuderen hoe deze toestanden met elkaar verband houden, en wat er gebeurt als het materiaal van de ene toestand naar de andere verandert."

Op dit moment, onderzoekers zijn vooral geïnteresseerd in de traptreden waarvan de "hoogte" wordt beschreven door een breuk met een even noemer. Dat komt omdat van de quasideeltjes in die staat wordt verwacht dat ze een ongebruikelijke eigenschap hebben.

Er zijn twee soorten deeltjes in onze driedimensionale wereld:fermionen (zoals elektronen), waar twee identieke deeltjes niet één toestand kunnen bezetten, en bosonen (zoals fotonen), waar twee identieke deeltjes eigenlijk één toestand willen bezetten. In drie dimensies, fermionen zijn fermionen en bosonen zijn bosonen, en nooit zullen de twee elkaar ontmoeten.

Maar een vel grafeen heeft geen drie dimensies - het heeft er twee. Het is in feite een klein tweedimensionaal universum, en in dat universum, nieuwe verschijnselen kunnen optreden. Voor een ding, fermionen en bosonen kunnen elkaar halverwege ontmoeten - iedereen worden, die ergens tussen fermionen en bosonen kan zijn. De quasideeltjes in deze speciale traptredentoestanden zullen naar verwachting willekeurig zijn.

Vooral, de onderzoekers hopen dat deze quasideeltjes niet-Abeliaanse wie dan ook zullen zijn, zoals hun theorie aangeeft dat ze zouden moeten zijn. Dat zou spannend zijn omdat niet-Abelse anyons kunnen worden gebruikt bij het maken van qubits.

Grafeen qubits?

Qubits zijn voor kwantumcomputers wat bits zijn voor gewone computers:zowel een basiseenheid van informatie als het basisapparaat dat die informatie opslaat. Vanwege hun kwantumcomplexiteit, qubits zijn krachtiger dan gewone bits en hun kracht groeit exponentieel naarmate er meer van worden toegevoegd. Een kwantumcomputer van slechts honderd qubits kan bepaalde problemen aanpakken die zelfs de beste niet-kwantum-supercomputers niet kunnen bereiken. Of, het zou kunnen, als iemand een manier zou kunnen vinden om stabiele qubits te bouwen.

De drang om qubits te maken is een van de redenen waarom grafeen in het algemeen een populair onderzoeksgebied is, en waarom even-noemer FQHE-staten – met hun speciale anyons – in het bijzonder gewild zijn. "Een staat met een aantal van deze anyons kan worden gebruikt om een ​​qubit weer te geven, " zegt Papić. "Onze theorie zegt dat ze daar zouden moeten zijn en de experimenten lijken dat te bevestigen - zeker de even noemer FQHE-staten lijken er te zijn, althans volgens de experimenten van Genève."

Dat is nog steeds een stap verwijderd van experimenteel bewijs dat die trappen met even noemers eigenlijk niet-Abelse anyons bevatten. Er blijft nog werk, maar Papić is optimistisch:"Het is misschien gemakkelijker te bewijzen in grafeen dan in halfgeleiders. Alles gebeurt aan de oppervlakte."

Het is nog vroeg, maar het lijkt erop dat dubbellaags grafeen het magische materiaal is waarmee dit soort qubit kan worden gebouwd. Dat zou een belangrijke markering zijn op de onwaarschijnlijke lijn tussen potloodstift en kwantumcomputers.