Onderzoekers van de Columbia University melden dat ze een kwantumvloeistof hebben waargenomen die bekend staat als de fractionele quantum Hall-staten (FQHS), een van de meest delicate fasen van materie, voor het eerst in een monolaag 2-D halfgeleider. Hun bevindingen demonstreren de uitstekende intrinsieke kwaliteit van 2D-halfgeleiders en stellen ze vast als een uniek testplatform voor toekomstige toepassingen in kwantumcomputing. De studie is vandaag online gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie .

"We waren zeer verrast om deze toestand in 2D-halfgeleiders waar te nemen, omdat algemeen wordt aangenomen dat ze te vuil en ongeordend zijn om dit effect te veroorzaken, " zegt Cory Dean, hoogleraar natuurkunde aan de Columbia University. "Bovendien, de FQHS-reeks in ons experiment onthult onverwacht en interessant nieuw gedrag dat we nog nooit eerder hebben gezien, en suggereert in feite dat 2D-halfgeleiders bijna ideale platforms zijn om FQHS verder te bestuderen."

De fractionele quantum Hall-toestand is een collectief fenomeen dat ontstaat wanneer onderzoekers elektronen opsluiten om in een dun tweedimensionaal vlak te bewegen, en onderwerpen ze aan grote magnetische velden. Voor het eerst ontdekt in 1982, het fractionele quantum Hall-effect wordt al meer dan 40 jaar bestudeerd, toch blijven er nog veel fundamentele vragen over. Een van de redenen hiervoor is dat de staat erg kwetsbaar is en alleen in de schoonste materialen voorkomt.

"Observatie van de FQHS wordt daarom vaak gezien als een belangrijke mijlpaal voor een 2D-materiaal - een die alleen de allerschoonste elektronische systemen hebben bereikt, " merkt Jim Hone op, Wang Fong-Jen hoogleraar werktuigbouwkunde aan Columbia Engineering.

Hoewel grafeen het bekendste 2D-materiaal is, een grote groep vergelijkbare materialen is de afgelopen 10 jaar geïdentificeerd, die allemaal kunnen worden geëxfolieerd tot een enkele laagdikte. Een klasse van deze materialen zijn overgangsmetaaldichalcogeniden (TMD), zoals WSe2, het materiaal dat in deze nieuwe studie is gebruikt. zoals grafeen, ze kunnen worden geschild om atomair dun te zijn, maar, in tegenstelling tot grafeen, hun eigenschappen onder magnetische velden zijn veel eenvoudiger. De uitdaging was dat de kristalkwaliteit van TMD's niet erg goed was.

"Sinds TMD op het podium verscheen, het werd altijd gezien als een vuil materiaal met veel gebreken, " zegt Hon, wiens groep de kwaliteit van TMD's aanzienlijk heeft verbeterd, het naar een kwaliteit duwen die in de buurt komt van grafeen - vaak beschouwd als de ultieme standaard van zuiverheid onder 2D-materialen.

Naast de kwaliteit van het monster, studies van de 2-D halfgeleidermaterialen werden gehinderd door de moeilijkheden om goed elektrisch contact te maken. Dit behandelen, de Columbia-onderzoekers hebben ook de mogelijkheid ontwikkeld om elektronische eigenschappen te meten door middel van capaciteit, in plaats van de conventionele methoden om een ​​stroom te laten lopen en de weerstand te meten. Een groot voordeel van deze techniek is dat de meting minder gevoelig is voor zowel slecht elektrisch contact als voor onzuiverheden in het materiaal. De metingen voor deze nieuwe studie werden uitgevoerd onder zeer grote magnetische velden - die helpen om de FQHS te stabiliseren - in het National High Magnetic Field Lab.

"De fractionele getallen die kenmerkend zijn voor de FQHS die we hebben waargenomen - de verhoudingen van het deeltje tot het magnetische fluxgetal - volgen een zeer eenvoudige reeks, " zegt Qianhui Shi, de eerste auteur van het artikel en een postdoctoraal onderzoeker bij het Columbia Nano Initiative. "De eenvoudige volgorde is consistent met generieke theoretische verwachtingen, maar alle voorgaande systemen vertonen complexer en onregelmatiger gedrag. Dit vertelt ons dat we eindelijk een bijna ideaal platform hebben voor de studie van FQHS, waar experimenten direct kunnen worden vergeleken met eenvoudige modellen."

Onder de fractionele getallen, een van hen heeft een even noemer. "Het waarnemen van het fractionele quantum Hall-effect was op zichzelf al verrassend, het zien van de staat van de even noemer in deze apparaten was echt verbazingwekkend, aangezien deze toestand voorheen alleen werd waargenomen bij de allerbeste apparaten, " zegt Daan.

Fractionele staten met even noemers hebben speciale aandacht gekregen sinds hun eerste ontdekking eind jaren tachtig, omdat men denkt dat ze een nieuw soort deeltje vertegenwoordigen, een met kwantumeigenschappen die verschillen van elk ander bekend deeltje in het universum. "De unieke eigenschappen van deze exotische deeltjes, " merkt Zlatko Papic op, universitair hoofddocent theoretische natuurkunde aan de Universiteit van Leeds, "zou kunnen worden gebruikt om kwantumcomputers te ontwerpen die zijn beschermd tegen vele bronnen van fouten."

Tot dusver, experimentele pogingen om de even noemertoestanden zowel te begrijpen als te exploiteren zijn beperkt door hun extreme gevoeligheid en het extreem kleine aantal materialen waarin deze toestand kan worden gevonden. "Dit maakt de ontdekking van de even noemertoestand in een nieuw - en ander - materieel platform, echt heel spannend, " voegt Daan toe.

De twee laboratoria van Columbia University - het Dean Lab en de Hone Group - werkten samen met het NIMS Japan, die een deel van de materialen leverde, en Papic, wiens groep computationele modellering van de experimenten uitvoerde. Beide Columbia-labs maken deel uit van het Material Research Science and Engineering Center van de universiteit. Dit project maakte ook gebruik van cleanroomfaciliteiten van zowel het Columbia Nano Initiative als het City College. Metingen bij grote magnetische velden zijn gedaan in het National High Magnetic Field Laboratory, een gebruikersfaciliteit gefinancierd door de National Science Foundation en met hoofdkantoor aan de Florida State University in Tallahassee, fl.

Nu de onderzoekers zowel zeer schone 2D-halfgeleiders als een effectieve sonde hebben, ze onderzoeken andere interessante staten die voortkomen uit deze 2D-platforms.