グラフェン中で電子はそれ自身の一部になる、研究が発見 | マサチューセッツ工科大学ニュース

電子は単一の負の電荷を運ぶため、電気の基本単位です。 これは高校の物理で教えられることであり、自然界のほとんどの物質に圧倒的に当てはまります。

しかし、物質の非常に特殊な状態では、電子が全体の一部に分裂することがあります。 「分数電荷」として知られるこの現象は非常にまれであり、これを囲い込んで制御することができれば、エキゾチックな電子状態は、回復力のあるフォールトトレラントな量子コンピューターの構築に役立つ可能性があります。

現在まで、物理学者に「分数量子ホール効果」として知られるこの効果は数回観察されており、そのほとんどは非常に高い、慎重に維持された磁場下で観察されています。 科学者たちが、このような強力な磁気操作を必要としない材料での効果を確認したのはつい最近のことです。

今回、MIT の物理学者は、捉えどころのない分数電荷効果を、今回はより単純な材料である 5 層のグラフェン (グラファイトと一般的な鉛筆の芯から生じる原子ほど薄い炭素の層) で観察しました。 彼らは 今日結果を報告してください で 自然。

彼らは、5枚のグラフェンシートを階段状に積み重ねると、その結果得られる構造が本質的に、外部磁場を必要とせずに電子が総電荷の一部として通過するのに最適な条件を提供することを発見した。

この結果は、物理学者がこの効果を示すとは予想していなかった結晶グラフェンにおける「分数量子異常ホール効果」（「異常」という用語は磁場の欠如を指す）の最初の証拠である。

「この 5 層グラフェンは、多くの良い驚きが起こる材料システムです」と、研究著者で MIT の物理学助教授である Long Ju 氏は言います。 「分数電荷は非常に珍しいものですが、今では磁場を使わずに、より単純なシステムでこの効果を実現できます。 それ自体が基礎物理学にとって重要です。 そして、それにより、摂動に対してより堅牢なタイプの量子コンピューティングの可能性が可能になる可能性があります。」

Ju 氏の MIT 共著者は、筆頭著者の Zhengguang Lu 氏、Tonghang Han 氏、Yuxuan Yao 氏、Aidan Reddy 氏、Jixiang Yang 氏、Junseok Seo 氏、Liang Fu 氏、および日本の物質・材料研究機構の渡辺健司氏と谷口隆氏です。

奇妙な状態

分数量子ホール効果は、粒子が個々の単位としての動作から全体として一緒に動作するように変化するときに発生する可能性のある奇妙な現象の一例です。 この集合的な「相関」挙動は、たとえば電子が通常の熱狂的なペースからゆっくりと動き、粒子がお互いを感知して相互作用できるようになったときなど、特殊な状態で現れます。 これらの相互作用は、電子の電荷の一見異常に見える分裂など、まれな電子状態を生成することがあります。

1982 年、科学者たちは、二次元平面内に閉じ込められた電子のガスが高磁場下に置かれるガリウムヒ素のヘテロ構造における分数量子ホール効果を発見しました。 この発見により、後にグループはノーベル物理学賞を受賞しました。

「[The discovery] というのは、これらの単位料金が相互作用して端数料金のようなものを与えることは、非常に非常に奇妙だったからです」と Ju 氏は言います。 「当時は理論上の予測は存在せず、実験は皆を驚かせました。」

これらの研究者らは、磁場を使用して材料の電子を相互作用できる程度に減速させることで画期的な結果を達成しました。 彼らが扱った磁場は、通常の MRI 装置に電力を供給する磁場よりも約 10 倍強力でした。

2023 年 8 月、ワシントン大学の科学者は、磁場のない部分電荷の最初の証拠を報告しました。 彼らは、この効果の「異常な」バージョンを、二テルル化モリブデンと呼ばれるねじれた半導体で観察しました。 研究グループは、特定の構成で材料を準備した。理論家らは、外部の磁気制御なしで電子の細分化を促すのに十分な固有の磁場を材料に与えると予測した。

「磁石なし」の結果は、トポロジカル量子コンピューティングへの有望な道を開きました。トポロジカル量子コンピューティングは、より安全な形式の量子コンピューティングであり、トポロジの追加要素 (弱い変形や外乱に直面しても変化しない特性) によって量子ビットに追加の保護が与えられます。計算を実行するとき。 この計算スキームは、分数量子ホール効果と超伝導体の組み合わせに基づいています。 以前は、これを理解することはほとんど不可能でした。分数電荷を得るには強い磁場が必要ですが、同じ磁場では通常超伝導体が死んでしまいます。 この場合、分数電荷は量子ビット (量子コンピューターの基本単位) として機能します。

ステップを踏む

同月、Ju 氏と彼のチームは、グラフェンでも異常な分数電荷の兆候を偶然観察しました。グラフェンはそのような効果を示すとは予測されていなかった素材です。

Ju のグループは、グラフェン自体で優れた特性を示しているグラフェンの電子的挙動を研究してきました。 最近では、Ju のグループは五層グラフェンを研究しました。これは、階段の階段のように、それぞれが互いにわずかにずれて積み重ねられた 5 枚のグラフェン シートの構造です。 このような五層グラフェン構造はグラファイトに埋め込まれており、セロハンテープを使用して剥離することで得ることができます。 超低温の冷蔵庫に入れると、構造の電子がゆっくりと速度を落とし、高温では通常は起こらないような相互作用を起こします。

研究者らは新しい研究でいくつかの計算を行ったところ、五層構造が六方晶窒化ホウ素（hBN）と整列している場合、電子はさらに強く相互作用する可能性があることを発見した。この材料はグラフェンと同様の原子構造を持つが、わずかに異なる寸法で。 2 つの材料を組み合わせると、モアレ超格子が生成されるはずです。モアレ超格子は、磁場を模倣した方法で電子の速度を低下させることができる複雑な足場のような原子構造です。

「これらの計算を行った後、やってみようと思いました」とジュ氏は言います。昨年の夏、偶然にも新しい希釈冷蔵庫を MIT の研究室に設置しました。チームはこれを使って材料を超低温まで冷却し、エキゾチックな物質を研究する予定でした。電子的な振る舞い。

研究者らは、最初にグラファイトのブロックからグラフェン層を剥離し、次に光学ツールを使用して階段状構成の5層のフレークを識別することにより、ハイブリッドグラフェン構造の2つのサンプルを作製した。 次に、グラフェン フレークを hBN フレーク上にスタンプし、グラフェン構造の上に 2 番目の hBN フレークを配置しました。 最後に、彼らは構造に電極を取り付け、絶対零度近くに設定された冷蔵庫に入れました。

材料に電流を流して電圧出力を測定すると、電圧が電流に分数といくつかの基本的な物理定数を掛けたものに等しい、分数電荷の兆候が見え始めました。

「見た日、最初はそれだと分かりませんでした」と筆頭著者のルー氏は言う。 「それから、これは本当に大きなことだと気づき、私たちは叫び始めました。 まったく驚くべき瞬間でした。」

「これはおそらく、新しい冷蔵庫に入れた最初の本格的なサンプルでした」と共筆著者のハン氏は付け加えた。 「落ち着いてから、私たちが見ているものが本物であることを確認するために詳細に観察しました。」

研究チームはさらなる分析により、グラフェン構造が実際に分数量子異常ホール効果を示していることを確認した。 グラフェンでこの効果が確認されたのは初めてだ。

「グラフェンは超伝導体にもなり得ます」と Ju 氏は言います。 「つまり、同じマテリアル内に 2 つのまったく異なるエフェクトを隣り合わせて配置することができます。 グラフェンを使用してグラフェンと通信すると、グラフェンと他の材料をブリッジする際の多くの望ましくない影響を回避できます。」

今のところ、同グループは他の稀な電子状態について多層グラフェンの探索を続けている。

「私たちは多くの基礎的な物理学のアイデアと応用を探求するために取り組んでいます」と彼は言います。 「今後さらに多くのことが起こることを私たちは知っています。」

この研究は、スローン財団と国立科学財団によって一部支援されています。