Tình trạng điện tử kỳ lạ được chú ý Viện Công nghệ Massachusetts Các nhà vật lý có thể kích hoạt các dạng mạnh mẽ hơn của Thống kê định lượng.

Electron là đơn vị cơ bản của điện vì nó mang một điện tích âm. Đây là những gì chúng ta đã học ở môn vật lý ở trường trung học, và điều này hoàn toàn đúng trong hầu hết các môn học về tự nhiên.

Nhưng ở những trạng thái rất đặc biệt của vật chất, các electron có thể phân chia thành các phần trong tổng số của chúng. Hiện tượng này, được gọi là “điện tích cục bộ”, cực kỳ hiếm và nếu nó có thể bị giữ lại và kiểm soát, trạng thái điện tử kỳ lạ có thể giúp chế tạo các máy tính lượng tử linh hoạt, có khả năng chịu lỗi.

Cho đến nay, hiệu ứng này, được các nhà vật lý gọi là “hiệu ứng Hall lượng tử phân đoạn”, đã được quan sát thấy nhiều lần, chủ yếu là dưới những từ trường rất cao và được duy trì cẩn thận. Chỉ gần đây các nhà khoa học mới phát hiện ra hiệu ứng này ở một loại vật liệu không cần thao tác từ tính mạnh như vậy.

Giờ đây, các nhà vật lý từ MIT đã quan sát được hiệu ứng điện tích cục bộ khó nắm bắt, lần này là ở một vật liệu đơn giản hơn: năm lớp… Graphene – cái đó Ngô– Lớp cacbon mỏng có nguồn gốc từ than chì và chì thông thường. Họ đã báo cáo phát hiện của mình vào ngày 21 tháng 2 trên tạp chí thiên nhiên.

Họ phát hiện ra rằng khi năm tấm graphene được xếp chồng lên nhau giống như các bậc thang, cấu trúc thu được vốn đã cung cấp các điều kiện phù hợp để các electron đi qua như một phần điện tích tổng thể của chúng mà không cần bất kỳ từ trường bên ngoài nào.

Các kết quả trên là bằng chứng đầu tiên về “hiệu ứng Hall dị thường lượng tử một phần” (“dị thường” ám chỉ sự vắng mặt của từ trường) trong graphene tinh thể, một chất liệu mà các nhà vật lý không mong đợi sẽ thể hiện hiệu ứng này.

Tác giả nghiên cứu Long Ju, trợ lý giáo sư vật lý tại MIT cho biết: “Graphene năm lớp này là một hệ thống vật liệu trong đó có nhiều điều bất ngờ thú vị xảy ra”. “Điện tích phân số rất kỳ lạ và giờ đây chúng ta có thể đạt được hiệu ứng này bằng cách sử dụng một hệ thống đơn giản hơn nhiều và không có từ trường. Bản thân điều này rất quan trọng đối với vật lý cơ bản. Nó có thể mở ra khả năng về một loại điện toán lượng tử mạnh mẽ hơn chống lại sự xáo trộn.”

Các đồng tác giả tại MIT bao gồm tác giả chính Zhengguang Lu, Tonghang Han, Yuxuan Yao, Aidan Reddy, Jixiang Yang, Junseok Seo và Liang Fu, cùng với Kenji Watanabe và Takashi Taniguchi tại Viện Khoa học Vật liệu Quốc gia Nhật Bản.

Đất nước xa lạ

Hiệu ứng Hall lượng tử một phần là một ví dụ về hiện tượng kỳ lạ có thể phát sinh khi các hạt chuyển từ hành xử như những đơn vị riêng lẻ sang hành xử cùng nhau như một tổng thể. Hành vi “mạch lạc” tập thể này xuất hiện trong những trường hợp đặc biệt, ví dụ như khi các electron bị giảm tốc độ từ tốc độ điên cuồng bình thường xuống mức chuyển động cho phép các phân tử cảm nhận được lẫn nhau và tương tác. Những tương tác này có thể tạo ra các trạng thái điện tử hiếm gặp, chẳng hạn như sự phân tách điện tích độc đáo.

Năm 1982, các nhà khoa học phát hiện ra hiệu ứng Hall lượng tử một phần trong các cấu trúc dị thể gali arsenide, trong đó khí electron bị giam giữ trong mặt phẳng hai chiều được giữ dưới từ trường cao. Khám phá này sau đó đã đưa nhóm nhận được giải Nobel Vật lý.

“[The discovery] Joe nói: “Đây là một vấn đề rất lớn, bởi vì sự tương tác của các đơn vị điện tích này theo cách tạo ra thứ gì đó giống như điện tích phân số rất kỳ lạ”. “Vào thời điểm đó, chưa có dự đoán lý thuyết nào và các thí nghiệm đã khiến mọi người ngạc nhiên”.

Các nhà nghiên cứu này đã đạt được kết quả tiên phong bằng cách sử dụng từ trường để làm chậm các electron của vật liệu đủ để chúng tương tác. Các trường mà họ làm việc mạnh hơn khoảng 10 lần so với các trường thường cung cấp năng lượng cho máy MRI.

Vào tháng 8 năm 2023, các nhà khoa học tại Đại học Washington Ông đã đưa ra bằng chứng đầu tiên về sự tồn tại của điện tích một phần khi không có từ trường. Họ đã quan sát thấy phiên bản “dị thường” này của hiệu ứng này trong một chất bán dẫn xoắn có tên là molybdenum ditelluride. Nhóm đã chuẩn bị vật liệu với một cấu hình cụ thể mà các nhà lý thuyết dự đoán sẽ mang lại cho vật liệu một từ trường vốn có, đủ để khuyến khích các electron tách ra mà không cần bất kỳ sự điều khiển từ tính bên ngoài nào.

Kết quả “không có nam châm” đã mở ra một con đường đầy hứa hẹn cho điện toán lượng tử tôpô – một dạng điện toán lượng tử an toàn hơn, trong đó thành phần bổ sung của cấu trúc liên kết (một tính chất không thay đổi khi bị biến dạng hoặc nhiễu loạn yếu) cung cấp khả năng bảo vệ bổ sung cho qubit khi thực hiện một phép tính. Sơ đồ tính toán này dựa trên sự kết hợp giữa hiệu ứng Hall lượng tử một phần và tính siêu dẫn. Hầu như không thể nhận ra điều này: người ta cần một từ trường mạnh để có được một phần điện tích, trong khi từ trường tương tự thường sẽ giết chết một chất siêu dẫn. Trong trường hợp này, điện tích phân số sẽ là qubit (đơn vị cơ bản của máy tính lượng tử).

Thực hiện các bước

Trong cùng tháng đó, Gu và nhóm của ông cũng tình cờ nhận thấy dấu hiệu của sự tích điện một phần dị thường ở graphene, một vật liệu được cho là không thể hiện hiệu ứng như vậy.

Nhóm của Gu đang khám phá hành vi điện tử ở graphene, chất liệu này đã chứng tỏ những đặc tính đặc biệt. Gần đây, nhóm của Gu đã nghiên cứu graphene năm lớp, một cấu trúc được tạo thành từ năm tấm graphene, mỗi tấm xếp chồng lên nhau một chút, giống như các bậc thang. Cấu trúc graphene ngũ giác này được nhúng vào than chì và có thể thu được bằng cách tẩy da chết bằng băng Scotch. Khi được đặt trong tủ đông ở nhiệt độ rất lạnh, các electron của cấu trúc sẽ di chuyển chậm lại và phản ứng theo những cách mà chúng thường không phản ứng khi di chuyển xung quanh ở nhiệt độ cao hơn.

Trong công trình mới của mình, các nhà nghiên cứu đã thực hiện một số tính toán và phát hiện ra rằng các electron có thể tương tác với nhau mạnh hơn nếu cấu trúc lớp ngũ giác được sắp xếp thẳng hàng với boron nitride lục giác (hBN) – một vật liệu có cấu trúc nguyên tử tương tự cấu trúc của graphene, nhưng với kích thước hơi khác nhau. Kết hợp lại, hai vật liệu này sẽ tạo ra một siêu mạng, một cấu trúc nguyên tử phức tạp giống như giàn giáo có thể làm chậm chuyển động của các electron theo cách bắt chước từ trường.

Joe, người tình cờ đã lắp đặt một tủ lạnh pha loãng mới trong phòng thí nghiệm của mình tại MIT vào mùa hè năm ngoái, cho biết: “Chúng tôi đã thực hiện những tính toán này và sau đó nghĩ rằng ‘Hãy làm đi’. nhiệt độ. Hành vi điện tử.

Các nhà nghiên cứu đã chế tạo hai mẫu cấu trúc graphene lai bằng cách trước tiên bóc tách các lớp graphene khỏi khối than chì, sau đó sử dụng các công cụ quang học để xác định các vảy năm lớp theo cấu hình được phân loại. Sau đó, họ dán tấm wafer graphene lên một tấm wafer hBN và đặt tấm wafer hBN thứ hai lên trên cấu trúc graphene. Cuối cùng, họ gắn các điện cực vào cấu trúc và đặt nó vào tủ đông, sau đó đặt gần nhau. Không tuyệt đối.

Khi họ đặt một dòng điện vào vật liệu và đo điện áp đầu ra, họ bắt đầu thấy dấu hiệu của điện tích phân số, trong đó điện áp bằng dòng điện nhân với một số phân số và một số hằng số vật lý cơ bản.

Tác giả đầu tiên Lu cho biết: “Ngày chúng tôi nhìn thấy anh ấy, ban đầu chúng tôi đã không nhận ra anh ấy. “Rồi chúng tôi bắt đầu la hét khi nhận ra đây thực sự là một vấn đề lớn. Đó là một khoảnh khắc hoàn toàn bất ngờ.”

Đồng tác giả đầu tiên Hahn cho biết thêm: “Đây có lẽ là những mẫu nghiêm túc đầu tiên chúng tôi đặt trong tủ lạnh mới”. Sau khi bình tĩnh lại, chúng tôi xem xét chi tiết để đảm bảo những gì chúng tôi đang thấy là thật.”

Với những phân tích sâu hơn, đội nghiên cứu đã xác nhận rằng cấu trúc graphene thực sự thể hiện hiệu ứng Hall dị thường lượng tử một phần. Đây là lần đầu tiên hiệu ứng này được thể hiện ở graphene.

“Graphene cũng có thể là chất siêu dẫn,” Gu nói. “Vì vậy, bạn có thể có hai hiệu ứng hoàn toàn khác nhau trong cùng một vật liệu, cạnh nhau. Nếu bạn sử dụng graphene để nói chuyện với graphene, nó sẽ tránh được rất nhiều tác dụng không mong muốn khi bạn liên kết graphene với các vật liệu khác.”

Hiện tại, nhóm nghiên cứu tiếp tục khám phá graphene đa lớp cho các trạng thái điện tử hiếm khác.

“Chúng tôi đi sâu vào khám phá nhiều ý tưởng và ứng dụng vật lý cơ bản,” ông nói. “Chúng tôi biết sẽ còn nhiều điều nữa xảy ra.”

Tham khảo: “Hiệu ứng Hall dị thường lượng tử một phần trong graphene đa lớp” của Zhengguang Lu, Tonghang Han, Yuxuan Yao, Aidan P. Reddy, Jixiang Yang, Junseok Seo, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Liang Fu và Long Ju, ngày 21 tháng 2 năm 2024, thiên nhiên.
doi: 10.1038/s41586-023-07010-7

Nghiên cứu này được hỗ trợ một phần bởi Quỹ Sloan và Quỹ khoa học quốc gia.