MITの新しいグラフェン革新は、量子コンピューティングの未来を形成しています。

分数量子ホール効果は一般に非常に高い磁場で見ることができますが、MIT物理学者は今単純なグラフェンでこれを観察しました。 5層グラフェン/六角形窒化ホウ素（hBN）モアレ超格子では、電子（青いボール）は互いに強く相互作用し、まるで噴水電荷で壊れたかのように振る舞います。 クレジット: Sampson Wilcox, RLE

観察されたエキゾチックな電子状態 MIT 物理学者はより強力な形 量子コンピューティング。

電子は単一の負電荷を運ぶので、電気の基本単位です。 これが私たちが高校の物理学で教える内容であり、自然界のほとんどの物質で圧倒的にそうです。

しかし、非常に特別な材料状態では、電子は全体の一部として分割することができます。 「噴水電荷」として知られるこの現象は非常にまれであり、それを集めて制御することができれば、エキゾチックな電子状態は弾力的でフォールトトレラントな量子コンピュータを構築するのに役立ちます。

これまで、物理学者にとって「噴水量子ホール効果」として知られているこの効果は数回観察され、大部分は非常に高く、慎重に維持される磁場の下で観察されてきました。 最近では、科学者たちは強力な自己操作を必要としない物質でこれらの効果を確認しました。

今、MIT物理学者たちは理解しにくい部分的な電荷効果を観察しました。 グラフェン — 原子●黒鉛と一般鉛筆芯に由来する薄い炭素層です。 彼らは2月21日にジャーナルに結果を報告します。 自然。

チームの写真です。 左から：Long Ju、Zhengguang Lu博士後研究員、学部生Yuxuan Yao、大学院生Tongghang Hangを訪問します。 クレジット：ヤンジシャン

彼らは、5枚のグラフェンシートが階段の階段のように積み重ねられたとき、結果として生じる構造が本質的に外部磁場を必要とせずに電荷全体の一部に電子が通過するのに適した条件を提供することを発見しました。

この結果は、物理学者がこの効果を示すと予想していなかった結晶質グラフェンにおける「分率量子異常ホール効果」（「異常」という用語は磁場がないことを意味する）の最初の証拠です。

「この5階のグラフェンは驚くべきことがたくさん起こる物質システムです。」とMIT物理学と助教授である研究著者Long Juは言います。 「噴水電荷は非常に異色であり、今では磁場なしではるかに簡単なシステムでこの効果を実現できます。 それ自体は基礎物理学にとって重要です。 そして、これは摂動に対してより強力な量子コンピューティングタイプの可能性を可能にします。

ＪＵのＭＩＴ共同作者は、上級作家である鎮山ル、トンガンハン、ユクスアンヤオ、アイダンレディ、ジシャンヤン、ジュンソク西、蘇福、日本国立材料科学研究所の慶次ワタナベ、タカギタキシです。

奇妙な状態

分数量子ホール効果は、粒子が個々の単位で行動して全体として一緒に行動するときに発生する可能性がある奇妙な現象の例です。 これらの集合的な「相関」行動は特別な状態で現れます。 たとえば、電子が通常の熱狂的な速度で粒子が互いに検出して相互作用するのを可能にするクロール速度で遅くなる場合です。 これらの相互作用は、電子電荷の不正な分離などのまれな電子状態を生成する可能性があります。

1982年に、科学者たちは、二次元平面に閉じ込められた電子ガスが高い磁場の下に配置されたガリウムヒ素の異種構造で噴水量子ホール効果を発見しました。 この発見は後にそのグループにノーベル物理学賞を与えました。

「[The discovery] なぜなら、これらの単位電荷が部分電荷と同じように相互作用するのは非常に奇妙なことです。」とJuは言います。 「当時は理論的な予測はまったくなく、実験は皆を驚かせました」。

彼らは磁場を使って物質の電子が相互作用するのに十分な速度を遅くする画期的な結果を達成しました。 彼らが働いた磁場は、一般にMRI機械に電力を供給するよりも約10倍強力でした。

2023年8月、科学者たち ワシントン大学 磁場なしで部分電荷の最初の証拠を報告しました。 彼らはモリブデンジテルリドと呼ばれるねじれた半導体でこの「異常な」バージョンの効果を観察しました。 研究者は、理論家が外部の磁気制御なしで電子を分割できるように、物質に固有の磁場を提供すると予測した特定の構成で物質を準備しました。

「マグネットなし」の結果は、トポロジー量子コンピューティングへの有望な経路を開きました。 これはより安全な形の量子コンピューティングで、追加されたトポロジ要素（弱い変形や乱れにも変わらない特性）がキュービットに追加の保護を提供します。 計算を実行するとき。 この計算方法は、分数量子ホール効果と超伝導体の組み合わせに基づいています。 以前は実現することはほとんど不可能でした。 部分電荷を得るには強い磁場が必要ですが、同じ磁場は通常超伝導体を殺します。 この場合、部分電荷はキュービット（量子コンピュータの基本単位）として機能します。

足を踏み入れる

同じ月、Juと彼のチームはグラフェンで異常な噴水電荷の兆候を観察しました。 グラフェンはそのような効果を発揮することが期待されていなかった材料でした。

Juのグループは、それ自体で優れた特性を示すグラフェンの電子的挙動を探求してきました。 最近、Juのグループは、階段の階段のように、わずかに離れて積み重ねられた5つのグラフェンシート構造である5階のグラフェンを調査しました。 これらの5層グラフェン構造はグラファイトに組み込まれており、スコッチテープを使用して剥離することによって得られます。 超低温の冷蔵庫に入れると、構造内の電子がゆっくりと這い、より高い温度でうつぶつしたときに通常起こらないように相互作用します。

新しい研究では、研究者はいくつかの計算を行い、5層構造がグラフェンと同様の原子構造を有する物質である六方晶系窒化ホウ素（hBN）と整列すると、電子が互いに強く相互作用することができることを発見しました。 少し異なる寸法で。 2つの材料を組み合わせると、磁場を模倣する方法で電子の速度を遅くすることができる複雑で足場などの原子構造であるモアレ超格子を生成する必要があります。

「私たちはこのような計算をした後、一度やってみようと思いました」と昨年のMIT研究室に新しい希釈冷蔵庫を設置したJuは語った。 Juは、この冷蔵庫を使用して材料を極低温まで冷却し、エキゾチックな研究を行う計画でした。 電子行動。

研究者はまずグラファイトブロックからグラフェン層を剥離し、次に光学ツールを使用して階段状の構成で5層フレークを同定することによってハイブリッドグラフェン構造の2つのサンプルを作成しました。 その後、グラフェンフレークをhBNフレークに打ち抜き、第2のhBNフレークをグラフェン構造上に配置した。 最後に、彼らは構造物に電極を取り付け、冷蔵庫に入れた。 絶対零度。

彼らは物質に電流を加えて電圧出力を測定しながら、分数電荷の特徴を見始めました。 ここで、電圧は、電流に分数といくつかの基本物理定数を掛けた値に等しい。

最初の著者であるLuは、「私たちがそれを見た日、最初はそれを知りませんでした」と言いました。 「それから私たちはこれが本当に大きなことであることに気づき、叫び始めました。 本当に素晴らしい瞬間でした。」

共同第一作者のハンは「これはおそらく私たちが新しい冷蔵庫に入れた最初の真剣なサンプルだったでしょう」と付け加えました。 「私たちは心を落ち着かせた後、私たちが見ているものが本物であることを確認するために詳しく見ました。」

研究者らは、さらなる分析により、グラフェン構造が実際に分数量子異常ホール効果を示すことを確認した。 グラフェンでこのような効果が現れたのは今回が初めてだ。

「グラフェンは超伝導体でもあります」とJuは言います。 「したがって、同じ材料で互いに完全に異なる2つの効果を同時に得ることができます。 グラフェンを使用してグラフェンと会話することで、グラフェンを他の材料と接続するときに望ましくない多くの効果を回避できます。

現在、このグループは他のまれな電子状態の多層グラフェンを探索し続けています。

「私たちは多くの基本的な物理学のアイデアとアプリケーションを探求することに取り組んでいます」と彼は言います。 「私たちは今後さらに多くのことがあることを知っています。」

参考資料: Zhengguang Lu, Tonghang Han, Yuxuan Yao, Aidan P. Reddy, Jixiang Yang, Junseok Seo, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Liang Fu and Long Juの「多層グラフェンの噴水量子異常ホール効果」、2024年2月月21日、 自然。
DOI: 10.1038/s41586-023-07010-7

この研究はSloan FoundationとNational Science Foundationのいくつかのサポートを受けています。