Дробный квантовый аномальный эффект Холла в многослойном графене
Был зафиксирован эффект дробного заряда в пятислойном графене толщиной в атом, который образуется из графита и обычного карандашного грифеля. Обнаружено, что когда пять листов графена сложены друг на друга, как ступеньки на лестнице, полученная структура по своей сути обеспечивает правильные условия для прохождения электронов в виде долей их общего заряда, без необходимости какого-либо внешнего магнитного поля. Оказалось, что электроны могли бы взаимодействовать друг с другом еще сильнее, если бы пятислойная структура была выровнена с гексагональным нитридом бора (hBN) — материалом, который имеет атомную структуру, аналогичную структуре графена, но с немного другими размерами.
Дробный квантовый эффект Холла обычно наблюдался в очень сильных магнитных полях, но теперь физики Массачусетского технологического института наблюдали его в простом графене. В пятислойной муаровой сверхрешетке графен/гексагональный нитрид бора (hBN) электроны (синий шар) сильно взаимодействуют друг с другом и ведут себя так, как будто они разбиты на дробные заряды.
Фото: Сэмпсон Уилкокс, RLE
Электрон является основной единицей электричества, поскольку он несет один отрицательный заряд. Это то, чему нас учат в средней школе по физике, и это в подавляющем большинстве случаев относится к большинству материалов в природе.
Но в особых состояниях материи электроны могут распадаться на отдельные части. Это явление, известное как «дробный заряд», чрезвычайно редкое, и если его удастся обуздать и контролировать, экзотическое электронное состояние может помочь в создании отказоустойчивых квантовых компьютеров.
На сегодняшний день этот эффект, известный физикам как «дробный квантовый эффект Холла», наблюдался несколько раз, и в основном в очень сильных, тщательно поддерживаемых магнитных полях. Лишь недавно ученые увидели этот эффект в материале, который не требовал столь мощных магнитных манипуляций.
Теперь физики Массачусетского технологического института наблюдали неуловимый эффект дробного заряда, на этот раз в более простом материале: пяти слоях графена — слое углерода толщиной в атом, который образуется из графита и обычного карандашного грифеля. Они сообщают о своих результатах в журнале Nature.
Они обнаружили, что когда пять листов графена сложены друг на друга, как ступеньки на лестнице, полученная структура по своей сути обеспечивает правильные условия для прохождения электронов в виде долей их общего заряда, без необходимости какого-либо внешнего магнитного поля.
Полученные результаты являются первым свидетельством «дробного квантового аномального эффекта Холла» (термин «аномальный» относится к отсутствию магнитного поля) в кристаллическом графене, материале, проявления которого физики не ожидали.
«Этот пятислойный графен представляет собой материальную систему, в которой случается много хороших сюрпризов», — говорит автор исследования Лонг Цзюй, доцент кафедры физики Массачусетского технологического института. «Дробный заряд настолько экзотичен, и теперь мы можем реализовать этот эффект с помощью гораздо более простой системы и без магнитного поля. Это само по себе важно для фундаментальной физики. И это может открыть возможность для типа квантовых вычислений, который более устойчив к возмущениям».
Соавторами Джу из Массачусетского технологического института являются ведущие авторы Чжэнгуан Лу, Тонхан Хан, Юсюань Яо, Эйдан Редди, Цзисян Ян, Джунсок Со и Лян Фу, а также Кендзи Ватанабэ и Такаши Танигучи из Национального института материаловедения в Японии.
Странное состояние
Дробный квантовый эффект Холла — пример странных явлений, которые могут возникнуть, когда частицы перестают вести себя как отдельные единицы и действуют вместе как единое целое. Такое коллективное «коррелированное» поведение проявляется в особых состояниях, например, когда электроны замедляются от своей обычной бешеной скорости до медленного движения, позволяющего частицам чувствовать друг друга и взаимодействовать. Эти взаимодействия могут создавать редкие электронные состояния, такие как, казалось бы, неортодоксальное расщепление заряда электрона.
В 1982 году учёные обнаружили дробный квантовый эффект Холла в гетероструктурах арсенида галлия, где газ электронов, удерживаемый в двумерной плоскости, находится под сильными магнитными полями. Позже это открытие принесло группе Нобелевскую премию по физике.
«[Открытие] имело большое значение, потому что взаимодействие этих единичных зарядов, дающее что-то вроде дробного заряда, было очень, очень странным», — говорит Джу. «В то время не было никаких теоретических предсказаний, и эксперименты удивили всех».
Эти исследователи достигли своих новаторских результатов, используя магнитные поля, чтобы замедлить электроны материала настолько, чтобы они могли взаимодействовать. Поля, с которыми они работали, были примерно в 10 раз сильнее, чем те, что обычно используются в аппарате МРТ.
В августе 2023 года ученые Вашингтонского университета сообщили о первых доказательствах дробного заряда без магнитного поля. Они наблюдали эту «аномальную» версию эффекта в скрученном полупроводнике под названием дителлурид молибдена. Группа подготовила материал в определенной конфигурации, которая, по прогнозам теоретиков, придаст материалу собственное магнитное поле, достаточное для того, чтобы стимулировать фракционирование электронов без какого-либо внешнего магнитного контроля.
Результат «отсутствия магнитов» открыл многообещающий путь к топологическим квантовым вычислениям — более безопасной форме квантовых вычислений, в которой добавленный компонент топологии (свойство, что остается неизменным перед лицом слабой деформации или возмущений) дает кубиту дополнительную защиту при проведении вычислений.
Эта схема вычислений основана на сочетании дробного квантового эффекта Холла и сверхпроводника. Раньше это было почти невозможно реализовать: чтобы получить дробный заряд, нужно сильное магнитное поле, тогда как то же самое магнитное поле обычно убивает сверхпроводник. В этом случае дробные заряды будут выступать в роли кубита (основной единицы квантового компьютера).
Фотография команды. Слева направо: Лун Цзюй, постдок Чжэнгуан Лу в гостях у студента Юйсюань Яо, аспиранта Тунхан Хана.
Делаем шаги
В том же месяце Джу и его команда также наблюдали признаки аномального дробного заряда в графене — материале, для которого не было предсказано проявление такого эффекта.
Группа Джу исследовала электронное поведение графена, который сам по себе демонстрирует исключительные свойства. Совсем недавно группа Джу изучила пятислойный графен — структуру из пяти листов графена, каждый из которых слегка расположен друг над другом, как ступени на лестнице.
Такая пятислойная графеновая структура внедрена в графит и может быть получена путем отслаивания с помощью скотча. При помещении в холодильник при сверхнизких температурах электроны структуры замедляются и взаимодействуют так, как обычно не происходит при более высоких температурах.
В своей новой работе исследователи провели некоторые расчеты и обнаружили, что электроны могли бы взаимодействовать друг с другом еще сильнее, если бы пятислойная структура была выровнена с гексагональным нитридом бора (hBN) — материалом, который имеет атомную структуру, аналогичную структуре графена, но с немного другими размерами.
В сочетании эти два материала должны создать муаровую сверхрешетку — сложную атомную структуру, похожую на каркас, которая может замедлять электроны способами, имитирующими магнитное поле.
«Мы провели эти расчеты, а затем подумали: давайте сделаем это», — говорит Джу, который прошлым летом установил в своей лаборатории Массачусетского технологического института новый холодильник для разбавления, который команда планировала использовать для охлаждения материалов до сверхнизких температур, чтобы изучать экзотическое поведение электроники.
Исследователи изготовили два образца гибридной структуры графена, сначала отслаивая слои графена от блока графита, а затем используя оптические инструменты идентифицировали пятислойные чешуйки в ступенчатой конфигурации. Затем они напечатали чешуйку графена на чешуйку hBN и поместили вторую чешуйку hBN поверх графеновой структуры. Наконец, они прикрепили к конструкции электроды и поместили ее в холодильник с температурой, близкой к абсолютному нулю.
Когда они подали ток на материал и измерили выходное напряжение, они начали видеть признаки дробного заряда, где напряжение равно току, умноженному на дробное число, и некоторым фундаментальным физическим константам.
«В тот день, когда мы это увидели, мы сначала не узнали его», — говорит первый автор Лу. «Затем мы начали кричать, когда поняли, что это было действительно важно. Это был совершенно неожиданный момент».
«Наверное, это были первые серьезные образцы, которые мы положили в новый холодильник», — добавляет соавтор Хан. «Как только мы успокоились, мы внимательно осмотрелись, чтобы убедиться, что то, что мы видим, было реальным».
В ходе дальнейшего анализа команда подтвердила, что структура графена действительно демонстрирует дробный квантовый аномальный эффект Холла. Впервые подобный эффект был замечен в графене.
«Графен также может быть сверхпроводником», — говорит Джу. «Итак, вы можете получить два совершенно разных эффекта в одном и том же материале, рядом друг с другом. Если вы используете графен для общения с графеном, это позволяет избежать множества нежелательных эффектов при соединении графена с другими материалами».
На данный момент группа продолжает исследовать многослойный графен на предмет других редких электронных состояний.
«Мы погружаемся в исследование многих фундаментальных физических идей и приложений», — говорит он. «Мы знаем, что будет еще больше».
