研究人員在雙層石墨烯中觀察到奇異的量子粒子

通過領(lǐng)導(dǎo)的研究小組 投手院長，哥倫比亞大學(xué)物理學(xué)助理教授，和 詹姆斯·霍恩，王李芳仁教授 機(jī)械工程 在 哥倫比亞工程，已明確觀察到一種強(qiáng)烈的凝聚態(tài)異常研究物理的偶數(shù)分母分?jǐn)?shù)量子霍爾(FQH)雙層石墨烯中的狀態(tài) - 通過傳輸測量。該 研究 于今天在線發(fā)表于“ 科學(xué)”雜志 (10月6日)。

“在任何系統(tǒng)中觀察5/2狀態(tài)都是一個(gè)非凡的科學(xué)機(jī)會，因?yàn)樗爽F(xiàn)代凝聚態(tài)物理中一些最令人困惑的概念，例如出現(xiàn)，準(zhǔn)粒子形成，量子化，甚至超導(dǎo)性，”Dean說。“我們的觀察結(jié)果表明，在雙層石墨烯中，5/2狀態(tài)能夠存活到比以前認(rèn)為的更高的溫度，這不僅使我們能夠以新的方式研究這種現(xiàn)象，而且還使我們對FQH狀態(tài)的看法從很大程度上轉(zhuǎn)變?yōu)榭茖W(xué)的好奇心?，F(xiàn)在具有巨大的實(shí)際應(yīng)用潛力，特別是在量子計(jì)算領(lǐng)域。“

在20世紀(jì)80年代首次發(fā)現(xiàn)的砷化鎵(GaAs)異質(zhì)結(jié)構(gòu)中，5/2分?jǐn)?shù)量子大廳狀態(tài)仍然是其他嚴(yán)格規(guī)則的單一例外，即分?jǐn)?shù)量子大廳狀態(tài)只能存在于奇數(shù)分母中。在發(fā)現(xiàn)之后不久，理論工作表明這種狀態(tài)可能代表一種奇特的超導(dǎo)體，部分原因在于這樣一個(gè)階段可能為量子計(jì)算提供一種全新的方法。然而，這些理論的確認(rèn)仍然難以捉摸，主要是由于的脆弱性; 在GaAs中，它只能在最高質(zhì)量的樣品中觀察到，甚至只出現(xiàn)在milikelvin溫度下(比水的冰點(diǎn)低10,000倍)。

哥倫比亞團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在已經(jīng)在雙層石墨烯中觀察到了相同的狀態(tài)，并且出現(xiàn)在更高的溫度下 - 達(dá)到幾開爾文。“雖然它仍然比水的冰點(diǎn)冷100倍，但在這些溫度下看到均勻分母狀態(tài)打開了通向以前無法想象的全套實(shí)驗(yàn)工具的大門，”迪恩說。“經(jīng)過全世界研究人員幾十年的努力，我們終于可以接近解決5/2的神秘面紗。”

現(xiàn)代凝聚態(tài)物理領(lǐng)域的一個(gè)突出問題是理解“出現(xiàn)”現(xiàn)象，這是由于顆粒之間的相互作用而產(chǎn)生大量量子粒子的結(jié)果，并產(chǎn)生了不是新的特征。各個(gè)部分的特點(diǎn)。例如，在超導(dǎo)體中，大量電子全部塌陷到單個(gè)量子態(tài)，然后可以通過金屬傳播而沒有任何能量損失。分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)是另一種狀態(tài)，其中電子在存在磁場的情況下彼此串聯(lián)，導(dǎo)致準(zhǔn)粒子具有潛在的奇異量子特性。

理論上很難預(yù)測，出現(xiàn)常常挑戰(zhàn)我們對粒子行為方式的基本理解。例如，由于任何兩個(gè)電子具有相同的電荷，我們將電子視為想要相互排斥的物體。然而，在超導(dǎo)金屬中，電子意外地配對，形成稱為銅對的新物體。當(dāng)通過金屬移動(dòng)時(shí)，各個(gè)電子散射，產(chǎn)生電阻，但是自發(fā)形成的銅對共同表現(xiàn)為它們在沒有電阻的情況下穿過材料。

“想想在一個(gè)搖滾音樂會上穿過人群，每個(gè)人都在充滿活力地跳舞，不斷碰到你，相比舞廳舞池，成對的舞者都在同一個(gè)，精心編排的方式，很容易相互避免，“迪恩說。“使偶數(shù)分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)如此迷人的原因之一是它的起源被認(rèn)為與超導(dǎo)體非常相似，但是，不是簡單地形成銅對，而是出現(xiàn)了一種全新的量子粒子。 “。

根據(jù)量子力學(xué)，基本粒子分為兩類，費(fèi)米子和玻色子，并且行為方式截然不同。兩個(gè)費(fèi)米子，例如電子，不能占據(jù)相同的狀態(tài)，這就是為什么，例如，原子中的電子填充連續(xù)的軌道。諸如光子或光粒子之類的玻色子可以占據(jù)相同的狀態(tài)，允許它們像激光的光發(fā)射那樣相干地起作用。當(dāng)兩個(gè)相同的粒子互換時(shí)，描述它們的組合狀態(tài)的量子力學(xué)波函數(shù)乘以玻色子的相位因子為1，而費(fèi)米子的相位因子為-1。

在發(fā)現(xiàn)分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)后不久，從理論上可以看出，與這種狀態(tài)相關(guān)的準(zhǔn)粒子既不像玻色子也不像費(fèi)米子，而是所謂的“任意”：當(dāng)任何準(zhǔn)粒子互換時(shí)，相位因子都不是1也不是-1而是分?jǐn)?shù)。盡管經(jīng)過了幾十年的努力，但仍然沒有確鑿的實(shí)驗(yàn)證據(jù)證明這些準(zhǔn)粒子是任意的。5/2狀態(tài) - 一個(gè)非阿貝爾的任意 - 被認(rèn)為更具異國情調(diào)。從理論上講，非阿貝爾的任意子都遵循任何其他分?jǐn)?shù)量子霍爾態(tài)的任意統(tǒng)計(jì)量，但具有特殊的特征，即這個(gè)階段不能簡單地通過逆轉(zhuǎn)過程來解除。這種無法簡單地展開階段將使得系統(tǒng)中存儲的任何信息都是唯一穩(wěn)定的，

“對預(yù)測的5/2統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的展示將代表一項(xiàng)巨大的成就，”迪恩說。“在許多方面，這將證實(shí)，通過制造具有恰當(dāng)厚度和恰當(dāng)數(shù)量的電子的材料系統(tǒng)，然后應(yīng)用恰當(dāng)?shù)拇艌?，我們可以有效地設(shè)計(jì)基本上新類別的粒子，具有以下特性：在宇宙中自然存在的已知粒子中不存在。我們?nèi)匀粵]有確鑿的證據(jù)證明5/2狀態(tài)表現(xiàn)出非阿貝爾特性，但我們在雙層石墨烯中發(fā)現(xiàn)這種狀態(tài)為測試這些理論開辟了令人興奮的新機(jī)會。“

到目前為止，所有這些條件都需要不僅恰到好處，而且還要極端。在傳統(tǒng)的半導(dǎo)體中，偶分母狀態(tài)非常難以隔離，并且僅存在于超純材料，極低溫度和高磁場下。雖然可以觀察到的某些特征，設(shè)計(jì)可以在不破壞狀態(tài)的情況下調(diào)查狀態(tài)的實(shí)驗(yàn)，但一直存在挑戰(zhàn)。

“我們需要一個(gè)新的平臺，”Hone說。“隨著石墨烯的成功分離，這些原子級薄的碳原子層成為一般用于研究二維電子的有前景的平臺。其中一個(gè)關(guān)鍵是石墨烯中的電子比傳統(tǒng)的2D電子系統(tǒng)更強(qiáng)烈地相互作用，理論上使得均勻分母狀態(tài)等效應(yīng)更加穩(wěn)健。但是，雖然有人預(yù)測雙層石墨烯可以容納長期尋求的均衡分子狀態(tài)，但在比以前更高的溫度下，這些預(yù)測還沒有實(shí)現(xiàn)，主要是因?yàn)槭┑那鍧嵆潭群芨摺?ldquo;

哥倫比亞團(tuán)隊(duì)建立在多年開拓性工作的基礎(chǔ)上，以提高石墨烯器件的質(zhì)量，完全由原子級平面2D材料制造超潔凈器件：用于導(dǎo)電通道的雙層石墨烯，用作保護(hù)絕緣體的六方氮化硼和用于電氣的石墨連接和作為改變通道中電荷載流子密度的導(dǎo)電柵極。

該研究的一個(gè)重要組成部分是獲得佛羅里達(dá)州塔拉哈西高磁場實(shí)驗(yàn)室提供的高磁場工具，這是一個(gè)由資助的用戶設(shè)施，Hone和Dean與之建立了廣泛的合作關(guān)系。他們研究了在高達(dá)34特斯拉的磁場下通過其器件的電傳導(dǎo)，并實(shí)現(xiàn)了對偶數(shù)分母狀態(tài)的清晰觀察。

“通過相對于磁場傾斜樣品，我們能夠提供新的證據(jù)，證明這種FQH狀態(tài)具有理論預(yù)測的許多性質(zhì)，例如自旋極化，”該論文的主要作者賈莉說。 - 與Dean和Hone合作的博士研究員。“我們還發(fā)現(xiàn)，在雙層石墨烯中，這種狀態(tài)可以用傳統(tǒng)材料無法實(shí)現(xiàn)的方式進(jìn)行操作。”

哥倫比亞團(tuán)隊(duì)的結(jié)果證明了運(yùn)輸中的測量 - 電子如何在系統(tǒng)中流動(dòng) - 是確認(rèn)偶數(shù)分母狀態(tài)的可能外來起源的關(guān)鍵一步。他們的研究結(jié)果與 加州大學(xué)圣巴巴拉分校的一個(gè)研究小組的類似報(bào)告同時(shí)報(bào)道 。UCSB研究通過電容測量觀察了均勻分母狀態(tài)，該測量探測了與狀態(tài)開始相關(guān)的電氣間隙的存在。

該團(tuán)隊(duì)預(yù)計(jì)，他們現(xiàn)在在雙層石墨烯中觀察到的強(qiáng)大測量將使新的實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛎鞔_地證明其非阿貝爾性質(zhì)。一旦建立，團(tuán)隊(duì)希望開始使用均勻分母狀態(tài)演示計(jì)算。

“幾十年來，人們一直認(rèn)為，如果5/2狀態(tài)確實(shí)代表了一個(gè)非阿貝爾的任何，它理論上可以徹底改變構(gòu)建量子計(jì)算機(jī)的努力，”迪恩觀察到。“然而，在過去，看到所需的極端條件，更不用說用于計(jì)算，始終是實(shí)用性的主要關(guān)注點(diǎn)。我們在雙層石墨烯中的結(jié)果表明，這個(gè)夢想現(xiàn)在可能實(shí)際上并不是現(xiàn)實(shí)。“