خلاصه خبر:
محققان MIT به اثر هال غیرعادی کوانتومی کسری در پنج لایه گرافن دست یافته‌اند، پیشرفتی که می‌تواند توسعه رایانه‌های کوانتومی انعطاف‌پذیر را پیش ببرد. این اثر شامل تقسیم الکترون ها به کسری از بار خود، بر خلاف درک متعارف که الکترون‌ها یک بار منفی دارند، است. مشاهدات قبلی به میدان‌های مغناطیسی بالا نیاز داشت، اما تیم MIT بدون میدان‌های مغناطیسی خارجی با چیدن لایه‌های گرافن در یک پیکربندی پله مانند به این اثر دست یافت. آنها با تراز کردن گرافن با نیترید بور شش ضلعی، یک ابرشبکه موآر (moiré superlattice) ایجاد کردند که باعث کاهش سرعت الکترون‌ها شد. هنگامی که یک جریان اعمال شد، محققان علائم واضحی از بار کسری را مشاهده کردند. این کشف می تواند به محاسبات کوانتومی قوی تر و اکتشاف حالت های الکترونیکی متنوع منجر شود. محققان قصد دارند گرافن چندلایه و کاربردهای بالقوه آن را بیشتر بررسی کنند.
توضیحات تکمیلی:
محققان MIT با مشاهده اثر بار کسری گریزان (elusive fractional charge effect) در پنج لایه گرافن به پیشرفت قابل توجهی دست یافته اند. این حالت الکترونیکی عجیب ، که به عنوان «اثر هال غیرعادی کوانتومی کسری» یا "fractional quantum anomalous Hall effect" شناخته می‌شود، پتانسیل کمک به توسعه رایانه‌های کوانتومی انعطاف‌پذیر و مقاوم در برابر خطا را دارد. این یافته ها که در ژورنال نیچر منتشر شد، اولین شواهدی از این اثر در گرافن کریستالی را نشان می دهد، ماده ای که معمولاً انتظار نمی رود چنین رفتاری از خود نشان دهد.
اثر بار کسری زمانی اتفاق می‌افتد که الکترون‌ها به بخش‌هایی از کل بار خود تقسیم می‌شوند و درک متعارفی که الکترون‌ها یک بار منفی دارند را به چالش می‌کشند. در حالی که این پدیده قبلاً مشاهده شده است، در درجه اول به میدان های مغناطیسی بالایی برای تجلی آن نیاز داشته است. با این حال، اکتشاف محققان MIT نشان می دهد که این اثر می تواند بدون نیاز به میدان های مغناطیسی خارجی زمانی که پنج لایه گرافن در یک پیکربندی پله مانند روی هم قرار گرفته اند، به دست آید.
محققان از ساختار گرافن پنج لایه ای که در گرافیت تعبیه شده بود، استفاده کردند که از طریق فرآیندی به نام لایه برداری به دست آمد. با تراز کردن این ساختار با نیترید بور شش ضلعی (hBN)، آنها یک ابرشبکه موآر (moiré superlattice) ایجاد کردند که سرعت الکترون‌ها را کاهش می‌دهد و رفتار ناشی از یک میدان مغناطیسی را تقلید می‌کند. هنگامی که جریانی به ماده و ولتاژ خروجی اندازه‌گیری شده اعمال شد، محققان علائم واضحی از بار کسری را مشاهده کردند که در آن ولتاژ برابر با جریان ضرب شده در یک عدد کسری و ثابت‌های فیزیک بنیادی بود.
پیامدهای این تحقیق بسیار گسترده است. اثر هال غیرعادی کوانتومی کسری می‌تواند به طور بالقوه به توسعه رایانه‌های کوانتومی مقاوم در برابر خطا کمک کند، زیرا رویکرد قوی‌تری برای محاسبات کوانتومی ارائه می‌دهد که کمتر مستعد اختلالات است. علاوه بر این، توانایی گرافن برای نشان دادن هر دو اثر بار کسری و ابررسانایی به طور همزمان، فرصت‌هایی را برای کاوش در حالات مختلف الکترونیکی و کاربردهای جدید باز می‌کند.
محققان قصد دارند به بررسی خواص گرافن چندلایه ادامه دهند، زیرا معتقدند از نظر فیزیک اساسی و کاربردهای بالقوه چیزهای بیشتری برای کشف وجود دارد. این تحقیق پیشگامانه ما را یک قدم به استفاده از قدرت بار کسری برای پیشرفت محاسبات کوانتومی و سایر نوآوری‌های تکنولوژیک نزدیک‌تر می‌کند.
منبع
Lu, Z., Han, T., Yao, Y. et al. Fractional quantum anomalous Hall effect in multilayer graphene. Nature 626, 759–764 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-023-07010-7
