研究人员在双层石墨烯中观察到奇异的量子粒子

通过领导的研究小组 投手院长,哥伦比亚大学物理学助理教授,和 詹姆斯·霍恩,王李芳仁教授 机械工程 在 哥伦比亚工程,已明确观察到一种强烈的凝聚态异常研究物理的偶数分母分数量子霍尔(FQH)双层石墨烯中的状态 - 通过传输测量。该 研究 于今天在线发表于“ 科学”杂志 (10月6日)。

“在任何系统中观察5/2状态都是一个非凡的科学机会,因为它包含了现代凝聚态物理中一些最令人困惑的概念,例如出现,准粒子形成,量子化,甚至超导性,”Dean说。“我们的观察结果表明,在双层石墨烯中,5/2状态能够存活到比以前认为的更高的温度,这不仅使我们能够以新的方式研究这种现象,而且还使我们对FQH状态的看法从很大程度上转变为科学的好奇心。现在具有巨大的实际应用潜力,特别是在量子计算领域。“

在20世纪80年代首次发现的砷化镓(GaAs)异质结构中,5/2分数量子大厅状态仍然是其他严格规则的单一例外,即分数量子大厅状态只能存在于奇数分母中。在发现之后不久,理论工作表明这种状态可能代表一种奇特的超导体,部分原因在于这样一个阶段可能为量子计算提供一种全新的方法。然而,这些理论的确认仍然难以捉摸,主要是由于国家的脆弱性; 在GaAs中,它只能在最高质量的样品中观察到,甚至只出现在milikelvin温度下(比水的冰点低10,000倍)。

哥伦比亚团队现在已经在双层石墨烯中观察到了相同的状态,并且出现在更高的温度下 - 达到几开尔文。“虽然它仍然比水的冰点冷100倍,但在这些温度下看到均匀分母状态打开了通向以前无法想象的全套实验工具的大门,”迪恩说。“经过全世界研究人员几十年的努力,我们终于可以接近解决5/2的神秘面纱。”

现代凝聚态物理领域的一个突出问题是理解“出现”现象,这是由于颗粒之间的相互作用而产生大量量子粒子的结果,并产生了不是新的特征。各个部分的特点。例如,在超导体中,大量电子全部塌陷到单个量子态,然后可以通过金属传播而没有任何能量损失。分数量子霍尔效应是另一种状态,其中电子在存在磁场的情况下彼此串联,导致准粒子具有潜在的奇异量子特性。

理论上很难预测,出现常常挑战我们对粒子行为方式的基本理解。例如,由于任何两个电子具有相同的电荷,我们将电子视为想要相互排斥的物体。然而,在超导金属中,电子意外地配对,形成称为铜对的新物体。当通过金属移动时,各个电子散射,产生电阻,但是自发形成的铜对共同表现为它们在没有电阻的情况下穿过材料。

“想想在一个摇滚音乐会上穿过人群,每个人都在充满活力地跳舞,不断碰到你,相比舞厅舞池,成对的舞者都在同一个,精心编排的方式,很容易相互避免,“迪恩说。“使偶数分数量子霍尔效应如此迷人的原因之一是它的起源被认为与超导体非常相似,但是,不是简单地形成铜对,而是出现了一种全新的量子粒子。 “。

根据量子力学,基本粒子分为两类,费米子和玻色子,并且行为方式截然不同。两个费米子,例如电子,不能占据相同的状态,这就是为什么,例如,原子中的电子填充连续的轨道。诸如光子或光粒子之类的玻色子可以占据相同的状态,允许它们像激光的光发射那样相干地起作用。当两个相同的粒子互换时,描述它们的组合状态的量子力学波函数乘以玻色子的相位因子为1,而费米子的相位因子为-1。

在发现分数量子霍尔效应后不久,从理论上可以看出,与这种状态相关的准粒子既不像玻色子也不像费米子,而是所谓的“任意”:当任何准粒子互换时,相位因子都不是1也不是-1而是分数。尽管经过了几十年的努力,但仍然没有确凿的实验证据证明这些准粒子是任意的。5/2状态 - 一个非阿贝尔的任意 - 被认为更具异国情调。从理论上讲,非阿贝尔的任意子都遵循任何其他分数量子霍尔态的任意统计量,但具有特殊的特征,即这个阶段不能简单地通过逆转过程来解除。这种无法简单地展开阶段将使得系统中存储的任何信息都是唯一稳定的,

“对预测的5/2统计数据的展示将代表一项巨大的成就,”迪恩说。“在许多方面,这将证实,通过制造具有恰当厚度和恰当数量的电子的材料系统,然后应用恰当的磁场,我们可以有效地设计基本上新类别的粒子,具有以下特性:在宇宙中自然存在的已知粒子中不存在。我们仍然没有确凿的证据证明5/2状态表现出非阿贝尔特性,但我们在双层石墨烯中发现这种状态为测试这些理论开辟了令人兴奋的新机会。“

到目前为止,所有这些条件都需要不仅恰到好处,而且还要极端。在传统的半导体中,偶分母状态非常难以隔离,并且仅存在于超纯材料,极低温度和高磁场下。虽然可以观察到国家的某些特征,设计可以在不破坏状态的情况下调查状态的实验,但一直存在挑战。

“我们需要一个新的平台,”Hone说。“随着石墨烯的成功分离,这些原子级薄的碳原子层成为一般用于研究二维电子的有前景的平台。其中一个关键是石墨烯中的电子比传统的2D电子系统更强烈地相互作用,理论上使得均匀分母状态等效应更加稳健。但是,虽然有人预测双层石墨烯可以容纳长期寻求的均衡分子状态,但在比以前更高的温度下,这些预测还没有实现,主要是因为石墨烯的清洁程度很高。“

哥伦比亚团队建立在多年开拓性工作的基础上,以提高石墨烯器件的质量,完全由原子级平面2D材料制造超洁净器件:用于导电通道的双层石墨烯,用作保护绝缘体的六方氮化硼和用于电气的石墨连接和作为改变通道中电荷载流子密度的导电栅极。

该研究的一个重要组成部分是获得佛罗里达州塔拉哈西国家高磁场实验室提供的高磁场工具,这是一个由国家资助的用户设施,Hone和Dean与之建立了广泛的合作关系。他们研究了在高达34特斯拉的磁场下通过其器件的电传导,并实现了对偶数分母状态的清晰观察。

“通过相对于磁场倾斜样品,我们能够提供新的证据,证明这种FQH状态具有理论预测的许多性质,例如自旋极化,”该论文的主要作者贾莉说。 - 与Dean和Hone合作的博士研究员。“我们还发现,在双层石墨烯中,这种状态可以用传统材料无法实现的方式进行操作。”

哥伦比亚团队的结果证明了运输中的测量 - 电子如何在系统中流动 - 是确认偶数分母状态的可能外来起源的关键一步。他们的研究结果与 加州大学圣巴巴拉分校的一个研究小组的类似报告同时报道 。UCSB研究通过电容测量观察了均匀分母状态,该测量探测了与状态开始相关的电气间隙的存在。

该团队预计,他们现在在双层石墨烯中观察到的强大测量将使新的实验能够明确地证明其非阿贝尔性质。一旦建立,团队希望开始使用均匀分母状态演示计算。

“几十年来,人们一直认为,如果5/2状态确实代表了一个非阿贝尔的任何国家,它理论上可以彻底改变构建量子计算机的努力,”迪恩观察到。“然而,在过去,看到国家所需的极端条件,更不用说用于计算,始终是实用性的主要关注点。我们在双层石墨烯中的结果表明,这个梦想现在可能实际上并不是现实。“

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