5 oktober 2017—Een team onder leiding van Cory Dean, assistent-professor natuurkunde aan de Columbia University, en James Hone, Wang Fong-Jen hoogleraar werktuigbouwkunde aan Columbia Engineering, heeft definitief een intensief bestudeerde anomalie waargenomen in de fysica van de gecondenseerde materie - de even noemer fractionele quantum Hall (FQH) -toestand - via transportmeting in dubbellaags grafeen. De studie is vandaag online gepubliceerd in Wetenschap .

"Het observeren van de 5/2-toestand in elk systeem is een opmerkelijke wetenschappelijke kans, omdat het enkele van de meest verbijsterende concepten in de moderne fysica van de gecondenseerde materie omvat, zoals opkomst, quasi-deeltjesvorming, kwantisering, en zelfs supergeleiding, " zegt Dean. "Onze observatie dat, in dubbellaags grafeen, de 5/2-toestand overleeft veel hogere temperaturen dan eerder voor mogelijk werd gehouden, stelt ons niet alleen in staat om dit fenomeen op nieuwe manieren te bestuderen, maar verschuift ook onze kijk op de FQH-toestand van grotendeels een wetenschappelijke curiositeit naar nu met een groot potentieel voor toepassingen in de echte wereld, vooral in kwantumcomputers."

Voor het eerst ontdekt in de jaren tachtig in heterostructuren van galliumarsenide (GaAs), de 5/2 fractionele quantum hall-toestand blijft de enige uitzondering op de overigens strikte regel die zegt dat fractionele quantum hall-toestanden alleen kunnen bestaan ​​met oneven noemers. Kort na de ontdekking, theoretisch werk suggereerde dat deze toestand een exotisch type supergeleider zou kunnen zijn, mede opmerkelijk vanwege de mogelijkheid dat een dergelijke fase een fundamenteel nieuwe benadering van kwantumberekening mogelijk zou kunnen maken. Echter, bevestiging van deze theorieën is ongrijpbaar gebleven, grotendeels te wijten aan de fragiele aard van de staat; in GaAs is het alleen waarneembaar in monsters van de hoogste kwaliteit en zelfs dan verschijnt het alleen bij milikelvin-temperaturen (maar liefst 10, 000 keer kouder dan het vriespunt van water).

Het Columbia-team heeft nu dezelfde toestand waargenomen in dubbellaags grafeen en verschijnt bij veel hogere temperaturen tot enkele Kelvin. "Hoewel het nog steeds 100 keer kouder is dan het vriespunt van water, het zien van de toestand van de even noemer bij deze temperaturen opent de deur naar een geheel nieuwe reeks experimentele hulpmiddelen die voorheen ondenkbaar waren, ", zegt Dean. "Na tientallen jaren van inspanningen van onderzoekers over de hele wereld, we kunnen eindelijk dicht bij het oplossen van het mysterie van de 5/2 zijn."

Een van de grootste problemen op het gebied van de moderne fysica van de gecondenseerde materie is het begrijpen van het fenomeen "emergence, " het resultaat van een grote verzameling kwantumdeeltjes die zich gedragen als gevolg van interacties tussen de deeltjes en die aanleiding geven tot nieuwe kenmerken die geen kenmerk zijn van de afzonderlijke delen. Bijvoorbeeld, in supergeleiders, een groot aantal elektronen vallen allemaal ineen tot een enkele kwantumtoestand, die zich vervolgens zonder energieverlies door een metaal kan voortplanten. Het fractionele quantum Hall-effect is een andere toestand waarin elektronen met elkaar samenspannen, in aanwezigheid van een magnetisch veld, wat resulteert in quasideeltjes met potentieel exotische kwantumeigenschappen.

Theoretisch erg moeilijk te voorspellen, opkomst daagt vaak ons ​​fundamentele begrip van hoe deeltjes zich gedragen. Bijvoorbeeld, aangezien twee elektronen dezelfde lading hebben, we zien elektronen als objecten die elkaar willen afstoten. Echter, in een supergeleidend metaal, elektronen paren onverwachts, het vormen van een nieuw object dat bekend staat als een kuiperpaar. Individuele elektronen verstrooien wanneer ze door een metaal gaan, aanleiding geven tot weerstand, maar spontaan gevormde kuiperparen gedragen zich collectief zodanig dat ze zich zonder enige weerstand door het materiaal bewegen.

"Denk eraan om je een weg te banen door een menigte bij een rockconcert waar iedereen met veel energie danst en constant tegen je aan botst, vergeleken met een ballroomdansvloer waar twee danseressen allemaal in hetzelfde bewegen, zorgvuldig gechoreografeerde manier, en het is gemakkelijk om elkaar te vermijden, ", zegt Dean. "Een van de redenen die het fractionele kwantum Hall-effect van even noemers zo fascinerend maakt, is dat de oorsprong ervan erg lijkt op die van een supergeleider, maar, in plaats van simpelweg kuiperparen te vormen, er ontstaat een geheel nieuw soort kwantumdeeltje."

Volgens de kwantummechanica, elementaire deeltjes vallen in twee categorieën, Fermionen en bosonen, en gedragen zich op een heel andere manier. Twee Fermionen, zoals elektronen, kan niet dezelfde staat bezetten, daarom, bijvoorbeeld, de elektronen in atomen vullen opeenvolgende orbitalen. bosonen, zoals fotonen, of lichtdeeltjes, dezelfde staat kan bezetten, waardoor ze coherent werken zoals in de lichtemissie van een laser. Als twee identieke deeltjes worden verwisseld, de kwantummechanische golffunctie die hun gecombineerde toestand beschrijft, wordt vermenigvuldigd met een fasefactor van 1 voor bosonen, en -1 voor Fermions.

Kort na de ontdekking van het fractionele quantum hall-effect, op theoretische gronden werd gesuggereerd dat de quasideeltjes geassocieerd met deze toestand zich niet gedragen als bosonen of fermionen, maar in plaats daarvan als een anyon:wanneer anyon quasideeltjes worden uitgewisseld, de fasefactor is noch 1 noch -1 maar is fractioneel. Ondanks tientallen jaren van inspanning, er is nog steeds geen sluitend experimenteel bewijs dat bevestigt dat deze quasideeltjes iemands zijn. Men denkt dat de 5/2-staat, een niet-abelse iemand, nog exotischer is. In theorie, niet-abelse anyons gehoorzamen aan anyonische statistieken zoals in andere fractionele quantum Hall-staten, maar met de bijzonderheid dat deze fase niet zomaar ongedaan kan worden gemaakt door het proces om te keren. Dit onvermogen om de fase eenvoudig af te wikkelen zou alle informatie die in het systeem is opgeslagen uniek stabiel maken, en daarom geloven veel mensen dat de 5/2 een geweldige kandidaat zou kunnen zijn voor kwantumberekening.

"Demonstratie van de voorspelde 5/2-statistieken zou een geweldige prestatie zijn, " zegt Dean. "In veel opzichten, dit zou bevestigen dat door een materiaalsysteem te fabriceren met precies de juiste dikte en precies het juiste aantal elektronen, en dan precies de juiste magnetische velden aanleggen, we zouden fundamenteel nieuwe klassen van deeltjes kunnen ontwikkelen, met eigenschappen die anders niet bestaan ​​bij bekende deeltjes die van nature in het universum voorkomen. We hebben nog steeds geen sluitend bewijs dat de 5/2-toestand niet-abelse eigenschappen vertoont, maar onze ontdekking van deze toestand in dubbellaags grafeen opent spannende nieuwe mogelijkheden om deze theorieën te testen."

Tot nu, al die voorwaarden moesten niet alleen precies goed zijn, maar ook extreem. In conventionele halfgeleiders, de even noemer toestanden zijn erg moeilijk te isoleren, en bestaan ​​alleen voor ultrazuivere materialen, bij extreem lage temperaturen en hoge magnetische velden. Hoewel bepaalde kenmerken van de staat waarneembaar waren door experimenten te bedenken die de staat konden onderzoeken zonder hem te vernietigen, uitdagend geweest.

"We hadden een nieuw platform nodig, ", zegt Hone. "Met de succesvolle isolatie van grafeen, deze atomair dunne lagen koolstofatomen kwamen naar voren als een veelbelovend platform voor de studie van elektronen in 2D in het algemeen. Een van de sleutels is dat elektronen in grafeen nog sterker op elkaar inwerken dan in conventionele 2D-elektronensystemen, theoretisch maken effecten zoals de even-noemer staat nog robuuster. Maar hoewel er voorspellingen zijn geweest dat dubbellaags grafeen de lang gezochte even-noemertoestanden zou kunnen bevatten, bij hogere temperaturen dan voorheen, deze voorspellingen zijn niet gerealiseerd vanwege de moeilijkheid om grafeen schoon genoeg te maken."

Het Columbia-team bouwde voort op vele jaren van pionierswerk om de kwaliteit van grafeenapparaten te verbeteren, het creëren van ultraschone apparaten volledig van atomair vlakke 2D-materialen:dubbellaags grafeen voor het geleidende kanaal, hexagonaal boornitride als beschermende isolator, en grafiet gebruikt voor elektrische verbindingen en als geleidende poort om de ladingsdragerdichtheid in het kanaal te veranderen.

Een cruciaal onderdeel van het onderzoek was toegang hebben tot de instrumenten voor hoge magnetische velden die beschikbaar zijn in het National High Magnetic Field Laboratory in Tallahassee, Fla., een landelijk gefinancierde gebruikersfaciliteit waarmee Hone en Dean uitgebreide samenwerkingen hebben gehad. Ze bestudeerden de elektrische geleiding door hun apparaten onder magnetische velden tot 34 Tesla, en bereikte duidelijke observatie van de even noemer toestanden.

"Door het monster te kantelen ten opzichte van het magnetische veld, we waren in staat om nieuwe bevestiging te geven dat deze FQH-toestand veel van de eigenschappen heeft die door de theorie worden voorspeld, zoals spin-gepolariseerd zijn, " zegt Jia Li, de hoofdauteur van de paper en postdoctoraal onderzoeker die samenwerkt met Dean and Hone. "We ontdekten ook dat in dubbellaags grafeen, deze toestand kan worden gemanipuleerd op manieren die niet mogelijk zijn in conventionele materialen."

Het resultaat van het Columbia-team, wat aantoont dat meting in transport - hoe elektronen in het systeem stromen - een cruciale stap voorwaarts is in de richting van het bevestigen van de mogelijke exotische oorsprong van de even noemertoestand. Hun bevindingen worden gelijktijdig gerapporteerd met een soortgelijk rapport van een onderzoeksgroep aan de Universiteit van Californië, Santa Barbara. De UCSB-studie observeerde de even noemertoestand door capaciteitsmeting, die het bestaan ​​van een elektrische kloof onderzoekt die verband houdt met het begin van de toestand.

Het team verwacht dat de robuuste metingen die ze nu hebben waargenomen in dubbellaags grafeen nieuwe experimenten mogelijk zullen maken die het niet-abelse karakter definitief kunnen bewijzen. Zodra dit is vastgesteld, het team hoopt te beginnen met het demonstreren van berekeningen met behulp van de even noemerstatus.

"Al vele decennia wordt gedacht dat als de 5/2-toestand inderdaad een niet-abelse iemand vertegenwoordigt, het zou in theorie een revolutie teweeg kunnen brengen in de pogingen om een ​​kwantumcomputer te bouwen, " merkt Dean op. "In het verleden, echter, de extreme omstandigheden die nodig zijn om de staat überhaupt te zien, laat staan ​​het gebruiken voor berekeningen, waren altijd een belangrijk punt van zorg. Onze resultaten in dubbellaags grafeen suggereren dat deze droom nu misschien niet zo ver van de realiteit verwijderd is."