"Zware fermionen" zijn een aantrekkelijke theoretische manier om kwantumverstrengelde verschijnselen te produceren, maar zijn tot voor kort vooral waargenomen in gevaarlijk radioactieve verbindingen. Een nieuw papier binnen Fysieke beoordelingsbrieven heeft aangetoond dat het mogelijk is om zware fermionen te maken in subtiel gemodificeerd grafeen, wat veel goedkoper en veiliger is.

Zeldzame aardverbindingen fascineren onderzoekers al tientallen jaren vanwege de unieke kwantumeigenschappen die ze vertonen, die tot nu toe totaal buiten het bereik van alledaagse verbindingen zijn gebleven. Een van de meest opmerkelijke en exotische eigenschappen van die materialen is de opkomst van exotische supergeleidende toestanden, en in het bijzonder de supergeleidende toestanden die nodig zijn om toekomstige topologische kwantumcomputers te bouwen. Hoewel deze specifieke zeldzame-aardeverbindingen, bekend als zware fermion-supergeleiders, al decennia bekend, het is een kritisch open uitdaging gebleven om er bruikbare kwantumtechnologieën van te maken. Dit komt omdat deze materialen kritisch radioactieve verbindingen bevatten, zoals uranium en plutonium, waardoor ze van beperkt nut zijn in echte kwantumtechnologieën.

Nieuw onderzoek heeft nu een alternatieve manier onthuld om de fundamentele verschijnselen van deze zeldzame aardverbindingen uitsluitend met grafeen te ontwikkelen, die geen van de veiligheidsproblemen heeft van traditionele zeldzame-aardeverbindingen. Het opwindende resultaat in het nieuwe artikel laat zien hoe een kwantumtoestand die bekend staat als een "zwaar fermion" kan worden geproduceerd door drie gedraaide grafeenlagen te combineren. Een zwaar fermion is een deeltje - in dit geval een elektron - dat zich gedraagt ​​alsof het veel meer massa heeft dan het in werkelijkheid doet. De reden waarom het zich op deze manier gedraagt, komt voort uit unieke kwantum veel-lichaamseffecten die tot nu toe meestal alleen werden waargenomen in zeldzame aardverbindingen. Het is bekend dat dit gedrag van zware fermionen de drijvende kracht is achter de verschijnselen die nodig zijn om deze materialen te gebruiken voor topologische kwantumcomputers. Dit nieuwe resultaat toont een nieuwe, niet-radioactieve manier om dit effect te bereiken met alleen koolstof, het openen van een weg voor het duurzaam exploiteren van zware fermionfysica in kwantumtechnologieën.

In het artikel geschreven door Aline Ramires, (Paul Scherrer Instituut, Zwitserland) en Jose Lado (Universiteit van Aalto), laten de onderzoekers zien hoe je met goedkope, niet-radioactieve stoffen. Om dit te doen, ze gebruikten grafeen, dat is een één atoom dikke laag koolstof. Ondanks dat het chemisch identiek is aan het materiaal dat in gewone potloden wordt gebruikt, de sub-nanometer dikte van grafeen betekent dat het onverwacht unieke elektrische eigenschappen heeft. Door de dunne lagen koolstof in een specifiek patroon op elkaar te leggen, waarbij elk blad ten opzichte van het andere wordt geroteerd, de onderzoekers kunnen het kwantumeigenschappen-effect creëren dat ertoe leidt dat de elektronen in het grafeen zich gedragen als zware fermionen.

"Tot nu, praktische toepassingen van zware fermion-supergeleiders voor topologische kwantumcomputing zijn niet veel nagestreefd, gedeeltelijk omdat er verbindingen voor nodig waren die uranium en plutonium bevatten, verre van ideaal voor toepassingen vanwege hun radioactieve karakter, ", zegt professor Lado. "In dit werk laten we zien dat je kunt streven naar exact dezelfde fysica, alleen met grafeen. Terwijl we in dit werk alleen de opkomst van zwaar fermiongedrag laten zien, het aanpakken van de opkomst van topologische supergeleiding is een natuurlijke volgende stap, die mogelijk een baanbrekende impact kan hebben op topologische kwantumcomputers."

Topologische supergeleiding is een onderwerp van cruciaal belang voor kwantumtechnologieën, ook aangepakt door alternatieve strategieën in andere papers van Aalto University Department of Applied Physics, waaronder een eerder artikel van professor Lado. "Deze resultaten bieden mogelijk een op koolstof gebaseerd platform voor de exploitatie van zware fermion-fenomenen in kwantumtechnologieën, zonder dat er zeldzame aardmetalen nodig zijn, " concludeert professor Lado.