El nuevo avance del grafeno del MIT da forma al futuro de la computación cuántica

Se notó una condición electrónica extraña Instituto de Tecnología de Massachusetts Los físicos pueden permitir formas más poderosas de… Estadísticas cuantitativas.

El electrón es la unidad básica de la electricidad, porque lleva una única carga negativa. Esto es lo que aprendimos en física en la escuela secundaria, y es abrumadoramente el caso en la mayoría de las materias de naturaleza.

Pero en estados muy especiales de la materia, los electrones pueden dividirse en partes de su total. Este fenómeno, conocido como “carga parcial”, es extremadamente raro y, si se puede atrapar y controlar, el exótico estado electrónico podría ayudar a construir computadoras cuánticas flexibles y tolerantes a fallas.

Hasta ahora, este efecto, conocido por los físicos como “efecto Hall cuántico fraccionario”, se ha observado muchas veces, principalmente bajo campos magnéticos muy altos y cuidadosamente mantenidos. Sólo recientemente los científicos han descubierto el efecto en un material que no requiere una manipulación magnética tan fuerte.

Ahora, físicos del MIT han observado el esquivo efecto de carga parcial, esta vez en un material más simple: cinco capas de… Grafeno – eso maíz– Una fina capa de carbono procede del grafito y del plomo ordinario. Informaron sus hallazgos el 21 de febrero en la revista. naturaleza.

Foto del equipo. De izquierda a derecha: Long Ju, el investigador postdoctoral Zhengguang Lu, el estudiante universitario visitante Yuxuan Yao y el estudiante graduado Tonghang Huang. Crédito: Jixiang Yang

Descubrieron que cuando se apilan cinco láminas de grafeno como los peldaños de una escalera, la estructura resultante proporciona inherentemente las condiciones adecuadas para que los electrones pasen a través de ellas como parte de su carga general, sin la necesidad de ningún campo magnético externo.

Los resultados son la primera evidencia de un “efecto Hall anómalo cuántico parcial” (“anómalo” se refiere a la ausencia de un campo magnético) en el grafeno cristalino, un material que los físicos no esperaban que exhibiera este efecto.

«Este grafeno de cinco capas es un sistema material en el que ocurren muchas sorpresas agradables», dice el autor del estudio Long Ju, profesor asistente de física en el MIT. «La carga fraccionada es muy extraña, y ahora podemos lograr este efecto usando un sistema mucho más simple y sin campo magnético. Esto en sí mismo es importante para la física fundamental. Podría abrir la posibilidad de un tipo de computación cuántica que sea más robusta contra los disturbios.»

Los coautores del MIT incluyen al autor principal Zhengguang Lu, Tonghang Han, Yuxuan Yao, Aidan Reddy, Jixiang Yang, Junseok Seo y Liang Fu, junto con Kenji Watanabe y Takashi Taniguchi en el Instituto Nacional de Ciencia de Materiales de Japón.

País extraño

El efecto Hall cuántico parcial es un ejemplo de los extraños fenómenos que pueden surgir cuando las partículas pasan de comportarse como unidades individuales a comportarse juntas como un todo. Este comportamiento colectivo «coherente» aparece en casos especiales, por ejemplo, cuando los electrones pasan de su velocidad normalmente frenética a un avance lento que permite a las moléculas detectarse entre sí e interactuar. Estas interacciones pueden producir estados electrónicos raros, como la división no convencional de la carga del electrón.

En 1982, los científicos descubrieron el efecto Hall cuántico parcial en heteroestructuras de arseniuro de galio, en las que un gas de electrones confinados en un plano bidimensional se mantiene bajo fuertes campos magnéticos. Este descubrimiento llevó más tarde al grupo a recibir el Premio Nobel de Física.

«[The discovery] «Esto fue un problema muy grande, porque la interacción de estas unidades de carga de una manera que daba algo así como una carga fraccionaria era muy extraña», dice Joe. «En aquel momento no había predicciones teóricas y los experimentos sorprendieron a todos».

Estos investigadores lograron sus resultados pioneros utilizando campos magnéticos para ralentizar los electrones de un material lo suficiente como para que pudieran interactuar. Los campos con los que trabajaron eran aproximadamente 10 veces más potentes que los que normalmente alimentan una máquina de resonancia magnética.

En agosto de 2023, los científicos de Universidad de Washington Informó la primera evidencia de la existencia de carga parcial sin campo magnético. Observaron esta versión «anómala» del efecto, en un semiconductor retorcido llamado ditelururo de molibdeno. El grupo preparó el material con una configuración específica, que los teóricos predijeron que le daría al material un campo magnético inherente, suficiente para alentar a los electrones a dividirse sin ningún control magnético externo.

El resultado de la ausencia de imán ha abierto un camino prometedor hacia la computación cuántica topológica, una forma más segura de computación cuántica, donde el componente adicional de la topología (una propiedad que permanece sin cambios ante una distorsión o una perturbación débil) proporciona protección adicional para el qubit. al realizar un cálculo. Este esquema de cálculo se basa en una combinación de efecto Hall cuántico parcial y superconductividad. Era casi imposible darse cuenta de esto: se necesita un campo magnético fuerte para obtener una carga parcial, mientras que el mismo campo magnético normalmente mataría a un superconductor. En este caso, las cargas fraccionarias serían un qubit (la unidad básica de una computadora cuántica).

dando pasos

Ese mismo mes, Gu y su equipo también notaron signos de una carga parcial anómala en el grafeno, un material que no se esperaba que mostrara tal efecto.

El grupo de Gu ha estado explorando el comportamiento electrónico del grafeno, que a su vez ha demostrado propiedades excepcionales. Recientemente, el grupo de Gu investigó el grafeno pentacapa, una estructura formada por cinco láminas de grafeno, cada una apilada ligeramente separada de las demás, como los peldaños de una escalera. Esta estructura pentagonal de grafeno está incrustada en grafito y se puede obtener mediante exfoliación con cinta adhesiva. Cuando se colocan en un congelador a temperaturas muy frías, los electrones de la estructura se ralentizan y reaccionan de una manera que normalmente no lo harían cuando deambulan a temperaturas más altas.

En su nuevo trabajo, los investigadores realizaron algunos cálculos y descubrieron que los electrones podrían interactuar entre sí más fuertemente si la estructura de la capa pentagonal estuviera alineada con nitruro de boro hexagonal (hBN), un material con una estructura atómica similar a la del grafeno, pero con dimensiones ligeramente diferentes. Combinados, los dos materiales deberían producir una superred, una estructura atómica compleja similar a un andamio que puede ralentizar el movimiento de los electrones de maneras que imitan un campo magnético.

«Hicimos estos cálculos y luego pensamos: ‘Hagámoslo'», dice Joe, quien casualmente instaló un nuevo refrigerador de dilución en su laboratorio del MIT el verano pasado, que el equipo planeaba usar para enfriar materiales a temperaturas extremadamente bajas. temperaturas. Comportamiento electrónico.

Los investigadores fabricaron dos muestras de la estructura híbrida del grafeno despegando primero capas de grafeno de un bloque de grafito y luego utilizando herramientas ópticas para identificar las escamas de cinco capas en una configuración graduada. Luego estamparon la oblea de grafeno en una oblea de hBN y colocaron una segunda oblea de hBN encima de la estructura de grafeno. Finalmente, conectaron electrodos a la estructura y la colocaron en un congelador, luego la colocaron muy cerca Cero absoluto.

Cuando aplicaron una corriente al material y midieron la salida de voltaje, comenzaron a ver las firmas de carga fraccionaria, donde el voltaje es igual a la corriente multiplicada por un número fraccionario y algunas constantes físicas básicas.

«El día que lo vimos, al principio no lo reconocimos», dice el primer autor Lu. «Entonces empezamos a gritar cuando nos dimos cuenta de que esto era realmente importante. Fue un momento completamente sorprendente».

«Estas fueron probablemente las primeras muestras serias que pusimos en el nuevo refrigerador», añade el coautor Hahn. Una vez que nos calmamos, analizamos los detalles para asegurarnos de que lo que estábamos viendo era real”.

Con análisis más detallados, el equipo confirmó que la estructura del grafeno efectivamente exhibía un efecto Hall anómalo cuántico parcial. Esta es la primera vez que se muestra este efecto en el grafeno.

«El grafeno también podría ser un superconductor», afirma Gu. «Por lo tanto, puedes tener dos efectos completamente diferentes en el mismo material, uno al lado del otro. Si usas grafeno para hablar con el grafeno, evitas muchos efectos no deseados cuando unes el grafeno a otros materiales».

Actualmente, el equipo continúa explorando el grafeno multicapa en busca de otros estados electrónicos raros.

«Nos sumergimos para explorar muchas ideas y aplicaciones de la física fundamental», dice. «Sabemos que habrá más por venir».

Referencia: “Efecto Hall anómalo cuántico parcial en grafeno multicapa” por Zhengguang Lu, Tonghang Han, Yuxuan Yao, Aidan P. Reddy, Jixiang Yang, Junseok Seo, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Liang Fu y Long Ju, 21 de febrero de 2024, naturaleza.
doi: 10.1038/s41586-023-07010-7

Esta investigación cuenta con el apoyo parcial de la Fundación Sloan y la Fundación Nacional de Ciencias.