Terobosan graphene baru dari MIT membentuk masa depan komputasi kuantum

Efek Hall kuantum parsial umumnya terlihat di bawah medan magnet yang sangat tinggi, namun fisikawan MIT kini telah mengamatinya dalam graphene sederhana. Dalam superlattice lima lapis graphene/hexagonal boron nitride (hBN), elektron (bola biru) berinteraksi kuat satu sama lain dan berperilaku seolah-olah terbagi menjadi muatan pecahan. Kredit: Sampson Wilcox, RLE

Kondisi elektronik yang aneh diperhatikan Institut Teknologi Massachusetts Fisikawan dapat mengaktifkan bentuk-bentuk yang lebih kuat Statistik kuantitatif.

Elektron adalah satuan dasar listrik, karena ia membawa muatan negatif tunggal. Inilah yang kita pelajari di fisika sekolah menengah, dan hal ini banyak terjadi di sebagian besar mata pelajaran alam.

Namun dalam keadaan materi yang sangat khusus, elektron dapat terpecah menjadi beberapa bagian dari keseluruhannya. Fenomena ini, yang dikenal sebagai “muatan parsial,” sangat jarang terjadi, dan jika dapat dijebak dan dikendalikan, keadaan elektronik eksotik ini dapat membantu membangun komputer kuantum yang fleksibel dan toleran terhadap kesalahan.

Sejauh ini, efek ini, yang dikenal oleh fisikawan sebagai “efek Hall kuantum pecahan,” telah diamati berkali-kali, sebagian besar di bawah medan magnet yang sangat tinggi dan dijaga dengan hati-hati. Baru-baru ini para ilmuwan menemukan efek pada material yang tidak memerlukan manipulasi magnet yang kuat.

Kini, fisikawan dari MIT telah mengamati efek muatan parsial yang sulit dipahami, kali ini dalam material yang lebih sederhana: lima lapisan… Grafena – itu Jagung– Lapisan tipis karbon berasal dari grafit dan timah biasa. Mereka melaporkan temuan mereka pada 21 Februari di jurnal alam.

Foto tim. Dari kiri ke kanan: Long Ju, peneliti pascadoktoral Zhengguang Lu, mahasiswa sarjana tamu Yuxuan Yao, mahasiswa pascasarjana Tonghang Huang. Kredit: Jixiang Yang

Mereka menemukan bahwa ketika lima lembar graphene ditumpuk seperti anak tangga, struktur yang dihasilkan secara inheren memberikan kondisi yang tepat bagi elektron untuk melewatinya sebagai bagian dari keseluruhan muatannya, tanpa memerlukan medan magnet eksternal.

Hasilnya adalah bukti pertama dari “efek Hall anomali kuantum parsial” (“anomali” mengacu pada tidak adanya medan magnet) dalam kristal graphene, bahan yang tidak diperkirakan oleh fisikawan akan menunjukkan efek ini.

“Grafena lima lapis ini adalah sistem material di mana banyak kejutan baik terjadi,” kata penulis studi Long Ju, asisten profesor fisika di MIT. “Muatan parsial sangat aneh, dan sekarang kita dapat mencapai efek ini dengan menggunakan sistem yang lebih sederhana dan tanpa medan magnet. Hal ini penting untuk fisika dasar. Hal ini dapat membuka kemungkinan jenis komputasi kuantum yang lebih kuat. terhadap gangguan.”

Rekan penulis di MIT termasuk penulis utama Zhengguang Lu, Tonghang Han, Yuxuan Yao, Aidan Reddy, Jixiang Yang, Junseok Seo, dan Liang Fu, bersama dengan Kenji Watanabe dan Takashi Taniguchi di National Institute of Materials Science di Jepang.

Negara yang aneh

Efek Hall kuantum parsial adalah contoh fenomena aneh yang dapat muncul ketika partikel berubah dari berperilaku sebagai unit individu menjadi berperilaku bersama sebagai keseluruhan. Perilaku “koheren” kolektif ini muncul dalam kasus-kasus khusus, misalnya ketika elektron diperlambat dari kecepatan biasanya yang hingar-bingar menjadi kecepatan merangkak yang memungkinkan molekul merasakan satu sama lain dan berinteraksi. Interaksi ini dapat menghasilkan keadaan elektronik yang jarang terjadi, seperti pemisahan muatan elektron yang tidak konvensional.

Pada tahun 1982, para ilmuwan menemukan efek Hall kuantum parsial dalam heterostruktur galium arsenida, di mana gas elektron terkurung dalam bidang dua dimensi ditahan di bawah medan magnet tinggi. Penemuan ini kemudian membawa kelompok tersebut menerima Hadiah Nobel Fisika.

“[The discovery] “Ini adalah masalah yang sangat besar, karena interaksi unit muatan ini sedemikian rupa sehingga menghasilkan muatan pecahan sangatlah aneh,” kata Joe. “Pada saat itu, belum ada prediksi teoretis, dan eksperimen tersebut mengejutkan semua orang.”

Para peneliti ini mencapai hasil perintis mereka dengan menggunakan medan magnet untuk memperlambat elektron suatu material agar dapat berinteraksi. Medan yang mereka gunakan sekitar 10 kali lebih kuat dibandingkan medan yang biasanya digunakan mesin MRI.

Pada Agustus 2023, para ilmuwan di Universitas Washington Dia melaporkan bukti pertama adanya muatan parsial tanpa medan magnet. Mereka mengamati versi efek “anomali” ini, dalam semikonduktor bengkok yang disebut molibdenum ditellurida. Kelompok tersebut menyiapkan material dengan konfigurasi tertentu, yang diperkirakan oleh para ahli teori akan memberikan material tersebut medan magnet yang melekat, cukup untuk mendorong elektron terpecah tanpa kontrol magnet eksternal.

Hasil “tanpa magnet” telah membuka jalan yang menjanjikan menuju komputasi kuantum topologi – suatu bentuk komputasi kuantum yang lebih aman, di mana komponen topologi tambahan (properti yang tetap tidak berubah dalam menghadapi distorsi atau gangguan lemah) memberikan perlindungan tambahan untuk qubit saat melakukan perhitungan. Skema perhitungan ini didasarkan pada kombinasi efek Hall kuantum parsial dan superkonduktivitas. Hampir mustahil untuk menyadari hal ini: seseorang memerlukan medan magnet yang kuat untuk mendapatkan muatan parsial, sedangkan medan magnet yang sama biasanya akan mematikan superkonduktor. Dalam hal ini, muatan pecahannya adalah qubit (unit dasar komputer kuantum).

Membuat langkah

Pada bulan yang sama, Gu dan timnya juga melihat tanda-tanda anomali muatan parsial pada graphene, bahan yang diperkirakan tidak menunjukkan efek seperti itu.

Kelompok Gu telah mengeksplorasi perilaku elektronik dalam graphene, yang telah menunjukkan sifat luar biasa. Baru-baru ini, kelompok Gu menyelidiki pentalayer graphene, sebuah struktur yang terdiri dari lima lembar graphene, masing-masing ditumpuk agak terpisah satu sama lain, seperti anak tangga. Struktur graphene pentagonal ini tertanam dalam grafit dan dapat diperoleh dengan pengelupasan kulit menggunakan selotip. Ketika ditempatkan di dalam freezer pada suhu yang sangat dingin, elektron-elektron struktur tersebut melambat dan bereaksi dengan cara yang tidak biasa mereka lakukan ketika berkeliaran pada suhu yang lebih tinggi.

Dalam karya baru mereka, para peneliti melakukan beberapa perhitungan dan menemukan bahwa elektron mungkin berinteraksi satu sama lain lebih kuat jika struktur lapisan pentagonal disejajarkan dengan heksagonal boron nitrida (hBN) – bahan dengan struktur atom yang mirip dengan graphene, namun dengan dimensi yang sedikit berbeda. Jika digabungkan, kedua material tersebut akan menghasilkan superlattice, struktur atom kompleks seperti perancah yang dapat memperlambat pergerakan elektron dengan cara yang meniru medan magnet.

“Kami melakukan perhitungan ini, dan kemudian kami berpikir, 'Ayo kita lakukan,'” kata Joe, yang kebetulan telah memasang kulkas pengenceran baru di labnya di MIT musim panas lalu, yang rencananya akan digunakan oleh tim untuk mendinginkan bahan hingga suhu yang sangat rendah. suhu. Perilaku elektronik.

Para peneliti membuat dua sampel struktur graphene hibrida dengan terlebih dahulu mengupas lapisan graphene dari blok grafit, kemudian menggunakan alat optik untuk mengidentifikasi serpihan lima lapisan dalam konfigurasi bertingkat. Mereka kemudian menempelkan wafer graphene ke wafer hBN dan menempatkan wafer hBN kedua di atas struktur graphene. Terakhir, mereka memasang elektroda pada struktur tersebut dan menaruhnya di dalam freezer, lalu menaruhnya di tempat yang berdekatan Nol mutlak.

Ketika mereka mengalirkan arus ke material dan mengukur keluaran tegangan, mereka mulai melihat tanda-tanda muatan pecahan, di mana tegangan sama dengan arus dikalikan dengan bilangan pecahan dan beberapa konstanta fisika dasar.

“Pada hari kami melihatnya, awalnya kami tidak mengenalinya,” kata penulis pertama Lu. “Kemudian kami mulai berteriak ketika kami menyadari bahwa ini adalah masalah yang sangat besar. Itu adalah momen yang sangat mengejutkan.”

“Ini mungkin sampel serius pertama yang kami masukkan ke dalam lemari es baru,” tambah penulis pertama Hahn. Setelah kami tenang, kami memeriksa detailnya untuk memastikan apa yang kami lihat itu nyata.”

Dengan analisis lebih lanjut, tim mengkonfirmasi bahwa struktur graphene memang menunjukkan efek Hall anomali kuantum parsial. Ini adalah pertama kalinya efek ini ditunjukkan pada graphene.

“Graphene juga bisa menjadi superkonduktor,” kata Gu. “Jadi, Anda dapat memiliki dua efek yang sangat berbeda dalam bahan yang sama, bersebelahan. Jika Anda menggunakan graphene untuk berbicara dengan graphene, hal ini akan menghindari banyak efek yang tidak diinginkan saat Anda mengikat graphene ke bahan lain.”

Saat ini, tim terus mengeksplorasi graphene multilayer untuk kondisi elektronik langka lainnya.

“Kami mendalaminya untuk mengeksplorasi banyak ide dan penerapan fisika mendasar,” katanya. “Kami tahu akan ada lebih banyak lagi yang akan datang.”

Referensi: “Efek Hall anomali kuantum parsial dalam graphene multilayer” oleh Zhengguang Lu, Tonghang Han, Yuxuan Yao, Aidan P. Reddy, Jixiang Yang, Junseok Seo, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Liang Fu dan Long Ju, 21 Februari 2024, alam.
doi: 10.1038/s41586-023-07010-7

Penelitian ini sebagian didukung oleh Sloan Foundation dan National Science Foundation.