In de afgelopen jaren is een fenomeen genaamd het kwantum Hall-effect naar voren gekomen als een platform voor het hosten van exotische functies, quasideeltjes genaamd, met eigenschappen die kunnen leiden tot opwindende toepassingen op gebieden zoals kwantumcomputing. Wanneer een sterk magnetisch veld wordt toegepast op een 2D-materiaal of gas, kunnen de elektronen aan het grensvlak, in tegenstelling tot die in de bulk, vrij langs de randen bewegen in zogenaamde randmodi of kanalen - enigszins vergelijkbaar met snelwegstroken. Deze randbeweging, die de essentie is van het kwantum Hall-effect, kan leiden tot veel interessante eigenschappen, afhankelijk van het materiaal en de omstandigheden.

Voor conventionele elektronen vloeit de stroom slechts in één richting die wordt bepaald door het magnetische veld ('downstream'). Natuurkundigen hebben echter voorspeld dat sommige materialen zich tegengesteld verspreidende kanalen kunnen hebben waar sommige quasideeltjes ook in de tegenovergestelde ('stroomopwaartse') richting kunnen reizen. Hoewel deze stroomopwaartse kanalen van groot belang zijn voor wetenschappers omdat ze een verscheidenheid aan nieuwe soorten quasideeltjes kunnen bevatten, waren ze buitengewoon moeilijk te identificeren omdat ze geen elektrische stroom voeren.

In een nieuwe studie leveren onderzoekers van het Indian Institute of Science (IISc) en internationale medewerkers "smoking gun" bewijs voor de aanwezigheid van stroomopwaartse modi waarlangs bepaalde neutrale quasideeltjes bewegen in tweelaags grafeen. Om deze modi of kanalen te detecteren, gebruikte het team een ​​nieuwe methode waarbij gebruik werd gemaakt van elektrische ruis:fluctuaties in het uitgangssignaal veroorzaakt door warmteafvoer.

"Hoewel de stroomopwaartse excitaties ladingsneutraal zijn, kunnen ze warmte-energie transporteren en een ruispunt produceren in de stroomopwaartse richting", legt Anindya Das uit, universitair hoofddocent bij de afdeling Natuurkunde en corresponderend auteur van de studie gepubliceerd in Nature Communications .

Quasideeltjes zijn grotendeels excitaties die ontstaan ​​wanneer elementaire deeltjes zoals elektronen interageren met elkaar of met materie om hen heen. Het zijn geen echte deeltjes, maar hebben vergelijkbare deeltjes zoals massa en lading. Het eenvoudigste voorbeeld is een 'gat' - een vacature waar een elektron ontbreekt in een bepaalde energietoestand in een halfgeleider. Het heeft een tegengestelde lading ten opzichte van het elektron en kan net als het elektron in een materiaal bewegen. Paren van elektronen en gaten kunnen ook quasideeltjes vormen die zich langs de rand van het materiaal kunnen voortplanten.

In eerdere studies hebben de onderzoekers aangetoond dat het mogelijk zou kunnen zijn om opkomende quasideeltjes zoals Majorana-fermionen in grafeen te detecteren; de hoop is om dergelijke quasideeltjes te gebruiken om uiteindelijk fouttolerante kwantumcomputers te bouwen. Voor het identificeren en bestuderen van dergelijke deeltjes is het van cruciaal belang om stroomopwaartse modi te detecteren die ze kunnen herbergen. Hoewel dergelijke stroomopwaartse modi eerder zijn gedetecteerd in op galliumarsenide gebaseerde systemen, is er tot nu toe geen enkele geïdentificeerd in grafeen en op grafeen gebaseerde materialen, die veel meer belofte bieden als het gaat om futuristische toepassingen.

In de huidige studie, toen de onderzoekers een elektrisch potentieel toepasten op de rand van tweelaags grafeen, ontdekten ze dat warmte alleen in de stroomopwaartse kanalen werd getransporteerd en op bepaalde "hotspots" in die richting werd afgevoerd. Op deze plekken produceerde de warmte elektrische ruis die kon worden opgepikt door een elektrisch resonantiecircuit en spectrumanalysator.

De auteurs ontdekten ook dat de beweging van deze quasideeltjes in de stroomopwaartse kanalen "ballistisch" was - warmte-energie stroomde van de ene hotspot naar de andere zonder enig verlies - in tegenstelling tot het "diffuse" transport dat eerder werd waargenomen in op gallium-arsenide gebaseerde systemen. Een dergelijke ballistische beweging is volgens de auteurs ook indicatief voor de aanwezigheid van exotische toestanden en functies die in de toekomst zouden kunnen helpen bij het bouwen van energie-efficiënte en foutloze kwantumcomponenten. + Verder verkennen

Exotische kwantumdeeltjes - minder magnetisch veld vereist