Nova descoberta do grafeno do MIT molda o futuro da computação quântica

O efeito Hall quântico parcial tem sido geralmente observado sob campos magnéticos muito elevados, mas os físicos do MIT já o observaram no grafeno simples. Em uma superrede de cinco camadas de grafeno/nitreto de boro hexagonal (hBN), os elétrons (bola azul) interagem fortemente entre si e se comportam como se estivessem divididos em cargas fracionárias. Crédito: Sampson Wilcox, RLE

Condição eletrônica estranha observada Instituto de Tecnologia de Massachusetts Os físicos podem permitir formas mais poderosas de… Estatísticas quantitativas.

O elétron é a unidade básica da eletricidade porque carrega uma única carga negativa. Isto é o que aprendemos na física do ensino médio, e é esmagadoramente o caso na maioria das disciplinas da natureza.

Mas em estados muito especiais da matéria, os elétrons podem se dividir em partes de todo o seu total. Este fenómeno, conhecido como “carga parcial”, é extremamente raro e, se puder ser capturado e controlado, o estado eletrónico exótico poderá ajudar a construir computadores quânticos flexíveis e tolerantes a falhas.

Até agora, este efeito, conhecido pelos físicos como “efeito Hall quântico fracionário”, foi observado muitas vezes, principalmente sob campos magnéticos muito elevados e cuidadosamente mantidos. Só recentemente os cientistas descobriram o efeito num material que não requer uma manipulação magnética tão forte.

Agora, físicos do MIT observaram o indescritível efeito de carga parcial, desta vez em um material mais simples: cinco camadas de… Grafeno – que milho– Uma fina camada de carbono se origina do grafite e do chumbo comum. Eles relataram suas descobertas em 21 de fevereiro na revista natureza.

Foto da equipe. Da esquerda para a direita: Long Ju, pesquisador de pós-doutorado Zhengguang Lu, estudante visitante Yuxuan Yao, estudante de pós-graduação Tonghang Huang. Crédito: Jixiang Yang

Eles descobriram que quando cinco folhas de grafeno são empilhadas como os degraus de uma escada, a estrutura resultante fornece inerentemente as condições certas para a passagem dos elétrons como parte de sua carga total, sem a necessidade de qualquer campo magnético externo.

Os resultados são a primeira evidência de um “efeito Hall anômalo quântico parcial” (“anômalo” refere-se à ausência de campo magnético) no grafeno cristalino, um material que os físicos não esperavam que exibisse esse efeito.

“Este grafeno de cinco camadas é um sistema material no qual ocorrem muitas surpresas boas”, diz o autor do estudo Long Ju, professor assistente de física no MIT. “A carga fracionária é muito estranha, e agora podemos conseguir esse efeito usando um sistema muito mais simples e sem campo magnético. Isso por si só é importante para a física fundamental. Poderia abrir a possibilidade de um tipo de computação quântica mais robusta contra perturbações.”

Os co-autores do MIT incluem o autor principal Zhengguang Lu, Tonghang Han, Yuxuan Yao, Aidan Reddy, Jixiang Yang, Junseok Seo e Liang Fu, juntamente com Kenji Watanabe e Takashi Taniguchi do Instituto Nacional de Ciência de Materiais do Japão.

País estranho

O efeito Hall quântico parcial é um exemplo dos fenômenos estranhos que podem surgir quando as partículas deixam de se comportar como unidades individuais e passam a se comportar juntas como um todo. Este comportamento “coerente” coletivo aparece em casos especiais, por exemplo, quando os elétrons são desacelerados de sua velocidade normalmente frenética para um rastreamento que permite que as moléculas se sintam e interajam. Essas interações podem produzir estados eletrônicos raros, como a divisão não convencional da carga do elétron.

Em 1982, os cientistas descobriram o efeito Hall quântico parcial em heteroestruturas de arsenieto de gálio, nas quais um gás de elétrons confinado em um plano bidimensional é mantido sob fortes campos magnéticos. Esta descoberta mais tarde levou o grupo a receber o Prêmio Nobel de Física.

“[The discovery] “Este foi um problema muito grande, porque a interação dessas unidades de carga de uma forma que gerava algo como uma carga fracionária era muito estranha”, diz Joe. “Naquela época não havia previsões teóricas e os experimentos surpreenderam a todos.”

Esses pesquisadores alcançaram resultados pioneiros ao usar campos magnéticos para desacelerar os elétrons de um material o suficiente para que eles interagissem. Os campos com os quais trabalharam eram cerca de 10 vezes mais fortes do que aqueles que normalmente alimentam uma máquina de ressonância magnética.

Em agosto de 2023, cientistas da universidade de Washington Ele relatou a primeira evidência da existência de carga parcial sem campo magnético. Eles observaram esta versão “anômala” do efeito, em um semicondutor torcido chamado ditelureto de molibdênio. O grupo preparou o material com uma configuração específica, que os teóricos previram que daria ao material um campo magnético inerente, suficiente para encorajar a separação dos elétrons sem qualquer controle magnético externo.

O resultado “sem ímã” abriu um caminho promissor para a computação quântica topológica – uma forma mais segura de computação quântica, onde o componente adicional da topologia (uma propriedade que permanece inalterada diante de distorção ou perturbação fraca) fornece proteção adicional para o qubit ao realizar um cálculo. Este esquema de cálculo é baseado em uma combinação de efeito Hall quântico parcial e supercondutividade. Era quase impossível perceber isso: é necessário um campo magnético forte para obter uma carga parcial, enquanto o mesmo campo magnético normalmente mataria um supercondutor. Nesse caso, as cargas fracionárias seriam um qubit (unidade básica de um computador quântico).

Fazendo passos

No mesmo mês, Gu e sua equipe também notaram sinais de uma carga parcial anômala no grafeno, um material que não se esperava que apresentasse tal efeito.

O grupo de Gu tem explorado o comportamento eletrônico do grafeno, que demonstrou propriedades excepcionais. Recentemente, o grupo de Gu investigou o grafeno pentacamada, uma estrutura composta por cinco folhas de grafeno, cada uma empilhada ligeiramente separada das outras, como os degraus de uma escada. Essa estrutura pentagonal de grafeno está embutida em grafite e pode ser obtida por esfoliação com fita adesiva. Quando colocados em um freezer em temperaturas muito baixas, os elétrons da estrutura diminuem a velocidade e reagem de maneiras que normalmente não fariam quando circulam em temperaturas mais altas.

Em seu novo trabalho, os pesquisadores realizaram alguns cálculos e descobriram que os elétrons poderiam interagir uns com os outros mais fortemente se a estrutura da camada pentagonal estivesse alinhada com nitreto de boro hexagonal (hBN) – um material com estrutura atômica semelhante à do grafeno, mas com dimensões ligeiramente diferentes. Combinados, os dois materiais devem produzir uma superrede, uma estrutura atômica complexa semelhante a um andaime que pode retardar o movimento dos elétrons de maneiras que imitam um campo magnético.

“Fizemos esses cálculos e depois pensamos: 'Vamos lá'”, diz Joe, que por acaso instalou um novo refrigerador de diluição em seu laboratório no MIT no verão passado, que a equipe planejava usar para resfriar materiais a temperaturas extremamente baixas. temperaturas. Comportamento eletrônico.

Os pesquisadores fabricaram duas amostras da estrutura híbrida do grafeno, primeiro retirando camadas de grafeno de um bloco de grafite e, em seguida, usando ferramentas ópticas para identificar os flocos de cinco camadas em uma configuração graduada. Eles então carimbaram o wafer de grafeno em um wafer hBN e colocaram um segundo wafer hBN no topo da estrutura de grafeno. Finalmente, eles anexaram eletrodos à estrutura e a colocaram em um freezer, depois a colocaram bem próxima Zero absoluto.

Quando aplicaram uma corrente ao material e mediram a tensão de saída, começaram a ver as assinaturas de carga fracionária, onde a tensão é igual à corrente multiplicada por um número fracionário e algumas constantes físicas básicas.

“No dia em que o vimos, a princípio não o reconhecemos”, diz o primeiro autor, Lu. “Então começamos a gritar quando percebemos que isso era algo realmente importante. Foi um momento completamente surpreendente.”

“Essas foram provavelmente as primeiras amostras sérias que colocamos na nova geladeira”, acrescenta o co-autor Hahn. Assim que nos acalmamos, analisamos os detalhes para ter certeza de que o que estávamos vendo era real.”

Com análises mais aprofundadas, a equipe confirmou que a estrutura do grafeno exibia de fato um efeito Hall anômalo quântico parcial. Esta é a primeira vez que esse efeito é demonstrado no grafeno.

“O grafeno também pode ser um supercondutor”, diz Gu. “Então, você pode ter dois efeitos completamente diferentes no mesmo material, um ao lado do outro. Se você usar o grafeno para conversar com o grafeno, evita muitos efeitos indesejados quando você liga o grafeno a outros materiais.”

Atualmente, a equipe continua a explorar o grafeno multicamadas para outros estados eletrônicos raros.

“Nós nos aprofundamos para explorar muitas ideias e aplicações fundamentais da física”, diz ele. “Sabemos que haverá mais por vir.”

Referência: “Efeito Hall anômalo quântico parcial em grafeno multicamadas” por Zhengguang Lu, Tonghang Han, Yuxuan Yao, Aidan P. Reddy, Jixiang Yang, Junseok Seo, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Liang Fu e Long Ju, 21 de fevereiro de 2024, natureza.
doi: 10.1038/s41586-023-07010-7

Esta pesquisa é apoiada em parte pela Sloan Foundation e pela National Science Foundation.