哥伦比亚研究人员在双层石墨烯中观察到奇异的量子粒子

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据报道,哥伦比亚大学的科学家已经证明了一种已有30年历史的理论,称为“偶数分数量子霍尔态”,并建立了双层石墨烯作为一种有希望的平台,可以导致量子计算。

哥伦比亚团队观察石墨烯图像中的奇异量子粒子

该团队通过双层石墨烯中的传输测量,观察到凝聚态物理中的极度研究异常 - 均分分子量子霍尔(FQH)状态。“观察任何系统中的5/2状态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,”该团队表示。“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 - 达到几个开尔文。“虽然它仍然比水的冰点冷100倍,但在这些温度下看到均衡状态打开了通向以前无法想象的全套实验工具的大门,”该团队说。“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。”

“我们需要一个新的平台,”研究人员说。“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,这些预测尚未实现,主要是因为石墨烯的清洁程度很高。“

哥伦比亚团队设法提高石墨烯设备的质量,完全由原子级平面2D材料制造超洁净设备: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,用于电连接的石墨和用作导电门的石墨改变通道中的载流子密度。该研究的一个重要组成部分是获得位于佛罗里达州塔拉哈西的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,”该论文的主要作者说。“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。


(文章源于graphene-info网,由石墨烯材料网 www.91shimoxi.com 翻译编辑整理)


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