麻省理工学院石墨烯的新突破塑造了量子计算的未来

部分量子霍尔效应通常在非常高的磁场下出现，但麻省理工学院的物理学家现在在简单的石墨烯中观察到了它。 在石墨烯/六方氮化硼 (hBN) 的五层超晶格中，电子（蓝球）彼此强烈相互作用，并且表现得就像被分成分数电荷一样。 图片来源：Sampson Wilcox，RLE

注意到奇怪的电子状况 麻省理工学院 物理学家可以实现更强大的形式 定量统计。

电子是电的基本单位，因为它带有单个负电荷。 这是我们在高中物理中学到的，并且在自然界的大多数学科中绝大多数都是这种情况。

但在非常特殊的物质状态下，电子可以分裂成其整体的一部分。 这种被称为“部分电荷”的现象极其罕见，如果它可以被捕获和控制，这种奇异的电子态可以帮助构建灵活的、容错的量子计算机。

到目前为止，这种被物理学家称为“分数量子霍尔效应”的效应已被多次观察到，大部分是在非常高且精心维护的磁场下进行的。 直到最近，科学家们才在不需要如此强磁操纵的材料中发现了这种效应。

现在，麻省理工学院的物理学家观察到了难以捉摸的部分电荷效应，这次是在一种更简单的材料中：五层…… 石墨烯 – 那 玉米– 一层薄薄的碳源自石墨和普通铅。 他们于 2 月 21 日在期刊上报告了他们的发现 自然。

团队合影。 从左至右：鞠龙、博士后陆正光、访问本科生姚宇轩、研究生黄同航。 图片来源：杨吉祥

他们发现，当五片石墨烯像梯子的横档一样堆叠时，所得结构本质上为电子作为其总电荷的一部分通过提供了合适的条件，而不需要任何外部磁场。

该结果是晶体石墨烯中“部分量子反常霍尔效应”（“反常”是指不存在磁场）的第一个证据，而物理学家并没有预料到这种材料会表现出这种效应。

“这种五层石墨烯是一种材料系统，其中会发生许多令人惊奇的事情，”该研究的作者、麻省理工学院物理学助理教授 Long Ju 说。 “分数电荷非常奇怪，现在我们可以使用更简单的系统并且无需磁场来实现这种效果。这本身对于基础物理学很重要。它可以开辟一种更强大的量子计算的可能性反对扰乱。”

麻省理工学院的合著者包括主要作者Zhengguang Lu、Tonghang Han、Yuxuan Yao、Aidan Reddy、Jiyang Yang、Junseok Seo和Liang Fu，以及日本国家材料科学研究所的Kenji Watanabe和Takashi Taniguchi。

陌生的国家

部分量子霍尔效应是当粒子从作为个体单元行为转变为作为整体行为时可能出现的奇怪现象的一个例子。 这种集体“相干”行为出现在特殊情况下，例如当电子从正常的疯狂速度减慢到使分子能够相互感知并相互作用时。 这些相互作用可以产生罕见的电子态，例如电子电荷的非常规分裂。

1982 年，科学家在砷化镓异质结构中发现了部分量子霍尔效应，其中电子气体被限制在二维平面中，并被保持在高磁场下。 这一发现后来使该小组获得了诺贝尔物理学奖。

”[The discovery] “这是一个非常大的问题，因为这些电荷单元以一种类似于分数电荷的方式相互作用，非常奇怪，”乔说。 “当时还没有理论预测，实验让所有人都大吃一惊。”

这些研究人员通过利用磁场减慢材料电子的速度，使其足以相互作用，从而取得了开创性成果。 他们使用的磁场比通常为 MRI 机器提供动力的磁场强大约 10 倍。

2023 年 8 月，科学家们 华盛顿大学 他报告了在没有磁场的情况下存在部分电荷的第一个证据。 他们在一种名为二碲化钼的扭曲半导体中观察到了这种“异常”效应。 该小组制备了具有特定结构的材料，理论家预测这种结构将赋予材料固有的磁场，足以促使电子在没有任何外部磁控制的情况下分裂。

“无磁体”结果为拓扑量子计算开辟了一条充满希望的道路——一种更安全的量子计算形式，其中拓扑的附加组件（在扭曲或弱干扰下保持不变的属性）为量子位提供了额外的保护执行计算时。 该计算方案基于部分量子霍尔效应和超导性的结合。 实现这一点几乎是不可能的：人们需要强大的磁场才能获得部分电荷，而相同的磁场通常会杀死超导体。 在这种情况下，分数电荷将是一个量子位（量子计算机的基本单位）。

制作步骤

同月，顾和他的团队也碰巧注意到石墨烯中异常部分电荷的迹象，而石墨烯是一种原本预计不会表现出这种效应的材料。

顾的团队一直在探索石墨烯的电子行为，石墨烯本身已表现出非凡的特性。 最近，顾的团队研究了五层石墨烯，这是一种由五片石墨烯片组成的结构，每片石墨烯片彼此稍微分开堆叠，就像梯子的横档一样。 这种五边形石墨烯结构嵌入石墨中，可以通过用透明胶带剥离来获得。 当放置在温度非常低的冰箱中时，该结构的电子会缓慢地爬行，并以在较高温度下漫游时通常不会发生的方式发生反应。

在他们的新工作中，研究人员进行了一些计算，发现如果五边形层结构与六方氮化硼（hBN）（一种原子结构与石墨烯相似的材料）对齐，电子之间的相互作用可能会更强烈，但尺寸略有不同。 结合起来，这两种材料应该产生超晶格，这是一种复杂的类似支架的原子结构，可以以模仿磁场的方式减慢电子的运动。

“我们做了这些计算，然后我们想，‘让我们开始吧，’”乔说。去年夏天，他碰巧在麻省理工学院的实验室安装了一台新的稀释冰箱，团队计划用它来将材料冷却到极低的温度。温度。 电子行为。

研究人员首先从石墨块上剥离石墨烯层，然后使用光学工具识别分级配置的五层薄片，从而制造了两个混合石墨烯结构的样品。 然后，他们将石墨烯晶圆压印到六方氮化硼晶圆上，并将第二块六方氮化硼晶圆放置在石墨烯结构的顶部。 最后，他们将电极连接到该结构上并将其放入冰箱中，然后将其靠近放置 绝对零度。

当他们向材料施加电流并测量电压输出时，他们开始看到分数电荷的特征，其中电压等于电流乘以分数和一些基本物理常数。

“我们见到他的那天，我们一开始并没有认出他，”第一作者卢说。 “当我们意识到这真的是一件大事时，我们开始尖叫。这是一个完全令人惊讶的时刻。”

“这些可能是我们放入新冰箱的第一批重要样本，”共同第一作者哈恩补充道。 一旦我们冷静下来，我们就会调查细节，以确保我们所看到的都是真实的。”

经过进一步分析，研究小组证实石墨烯结构确实表现出部分量子反常霍尔效应。 这是首次在石墨烯中显示出这种效应。

“石墨烯也可以成为超导体，”顾说。 “因此，你可以在同一种材料中产生两种完全不同的效果，彼此相邻。如果你使用石墨烯与石墨烯对话，当你将石墨烯与其他材料粘合时，它可以避免很多不需要的效果。”

目前，该团队仍在继续探索多层石墨烯的其他稀有电子态。

“我们深入探索许多基本的物理思想和应用，”他说。 “我们知道还会有更多。”

参考文献：“多层石墨烯中的部分量子反常霍尔效应”，作者：Zhengguang Lu、Tonghang Han、Yuxuan Yao、Aidan P. Reddy、Jiyang Yang、Junseok Seo、Kenji Watanabe、Takashi Taniguchi、Liang Fu 和 Long Ju，2024 年 2 月 21 日， 自然。
号码：10.1038/s41586-023-07010-7

这项研究得到了斯隆基金会和国家科学基金会的部分支持。