У графена было неожиданное начало: оно началось с того, что исследователи возились с карандашными пометками на бумаге. «Грифель» карандаша на самом деле сделан из графита, который представляет собой мягкую кристаллическую решетку, состоящую только из атомов углерода. Когда карандаши наносят этот графит на бумагу, решетка складывается в виде тонких листов. Разделяя решетку на более тонкие листы — первоначально с помощью скотча — исследователи обнаружили, что они могут делать чешуйки кристалла толщиной всего в один атом.
Название этой проволочной сетки атомного размера — графен. Люди с скотчем, Андре Гейм и Константин Новоселов, получили Нобелевскую премию 2010 года за его открытие. «Как материал, это совершенно новый материал — не только самый тонкий, но и самый прочный», — написал Нобелевский комитет. "Как проводник электричества, он действует так же хорошо, как медь.
Как проводник тепла он превосходит все другие известные материалы. Он почти полностью прозрачен, но настолько плотен, что даже гелий, мельчайший атом газа, не может пройти через него. . "Разработка теоретической модели графенаГрафен — это не только практическое чудо — это еще и страна чудес для теоретиков.
Электроны, ограниченные двумерной поверхностью графена, ведут себя странно. Можно увидеть всевозможные новые явления и проверить новые идеи. Проверка новых идей в графене — это именно то, что намеревались сделать исследователи Периметра Златко Папич и Дмитрий (Дима) Абанин.«Дима и я начали работать с графеном очень давно, — говорит Папич. «Впервые мы встретились в 2009 году на конференции в Швеции.
Я был аспирантом, а Дима, кажется, учился на первом курсе постдока».Двое молодых ученых поговорили о том, какую новую физику они смогут наблюдать в странном новом материале, когда он подвергается воздействию сильного магнитного поля.
«Мы решили, что хотим смоделировать материал», — говорит Папич. С тех пор они постоянно работают над своей теоретической моделью графена. Они оба сейчас работают в Институте Периметра, где Папич — научный сотрудник, а Абанин — преподаватель.
Оба они назначены совместно с Институтом квантовых вычислений (IQC) Университета Ватерлоо.В январе 2014 года они опубликовали статью в Physical Review Letters (PRL), в которой были представлены новые идеи о том, как вызвать странное, но интересное состояние в графене — такое, когда кажется, что частицы внутри него имеют долю заряда электрона.Это называется дробным квантовым эффектом Холла (FQHE), и это кружит голову.
Подобно скорости света или постоянной Планка, заряд электрона является фиксированной точкой дезориентирующей квантовой Вселенной.Каждая система во Вселенной несет заряд, кратный одному электрону. Когда FQHE был впервые открыт в 1980-х годах, физики конденсированного состояния быстро выяснили, что фракционно заряженные «частицы» внутри их полупроводников на самом деле были квазичастицами, то есть возникающими коллективными формами поведения системы, имитирующими частицы.Графен — идеальный материал для изучения FQHE. «Поскольку это всего лишь один атом толщиной, у вас есть прямой доступ к поверхности», — говорит Папич. «В полупроводниках, где FQHE был впервые обнаружен, газ электронов, создающий этот эффект, заложен глубоко внутри материала.
К ним трудно получить доступ и ими трудно манипулировать. Но с графеном вы можете представить, как манипулировать этими состояниями гораздо легче».В январской статье Абанин и Папик сообщили о новых типах состояний FQHE, которые могут возникнуть в двухслойном графене, то есть в двух листах графена, уложенных один поверх другого, когда он находится в сильном перпендикулярном магнитном поле.
В более ранней работе 2012 года они утверждали, что приложение электрического поля к поверхности двухслойного графена может предложить уникальную экспериментальную ручку, которая вызывает переходы между состояниями FQHE. Они утверждали, что сочетание этих двух эффектов было бы идеальным способом взглянуть на особые состояния FQHE и переходы между ними.
Экспериментальные испытанияДве экспериментальные группы — одна в Женеве, с участием Абанина, и одна в Колумбии, с участием как Абанина, так и Папика, с тех пор хорошо применили метод электрического поля + магнитного поля. Статья Columbia group появится в выпуске журнала Science от 4 июля.
Третья группа, возглавляемая Амиром Якоби из Гарварда, занимается тесно связанной с этим работой.«Мы часто работаем рука об руку с экспериментаторами», — говорит Папич. «Одна из причин, по которой мне нравятся конденсированные вещества, заключается в том, что часто даже самая сложная, передовая теория имеет хорошие шансы быть быстро проверенной экспериментом».Как в магнитном, так и в электрическом поле электрическое сопротивление графена демонстрирует странное поведение, характерное для ДКЭХ. Вместо сопротивления, которое плавно изменяется в зависимости от напряжения, сопротивление внезапно перескакивает с одного уровня на другой, а затем появляются плато — своего рода лестница сопротивления.
Каждая ступенька — это отдельное состояние материи, определяемое сложным квантовым клубком зарядов, спинов и других свойств внутри графена.«Количество штатов довольно велико, — говорит Папич. «Нас очень интересует двухслойный графен из-за количества состояний, которые мы обнаруживаем, и потому, что у нас есть эти механизмы — например, настройка электрического поля — для изучения того, как эти состояния взаимосвязаны, и что происходит, когда материал меняется с одного. состояние другому ".На данный момент исследователей особенно интересуют ступени лестницы, «высота» которых описывается дробью с четным знаменателем.
Это потому, что ожидается, что квазичастицы в этом состоянии будут обладать необычным свойством.В нашем трехмерном мире есть два типа частиц: фермионы (например, электроны), где две идентичные частицы не могут занимать одно состояние, и бозоны (например, фотоны), где две идентичные частицы фактически хотят занять одно состояние. В трех измерениях фермионы — это фермионы, а бозоны — это бозоны, и никогда не встретятся эти два.
Но у листа графена нет трех измерений — у него два. По сути, это крошечная двумерная вселенная, и в этой вселенной могут происходить новые явления. Во-первых, фермионы и бозоны могут встретиться на полпути — стать анионами, которые могут находиться где угодно между фермионами и бозонами.
Ожидается, что квазичастицы в этих особых ступенчатых состояниях будут энионами.В частности, исследователи надеются, что эти квазичастицы будут неабелевыми энионами, как показывает их теория. Это было бы интересно, потому что неабелевы анионы можно использовать при создании кубитов.Графеновые кубиты?
Кубиты для квантовых компьютеров то же самое, что биты для обычных компьютеров: как базовая единица информации, так и базовая часть оборудования, которая хранит эту информацию. Из-за своей квантовой сложности кубиты более мощные, чем обычные биты, и их мощность растет экспоненциально по мере того, как их добавляется больше.
Квантовый компьютер, состоящий всего из сотни кубитов, может решать определенные задачи, недоступные даже для лучших неквантовых суперкомпьютеров. Или может, если кто-то найдет способ создавать стабильные кубиты.Стремление создавать кубиты является одной из причин, по которым графен является горячей областью исследований в целом, и почему состояния FQHE с четным знаменателем — с их особыми анионами — особенно востребованы. «Состояние с некоторым количеством этих анионов можно использовать для представления кубита», — говорит Папич. «Наша теория утверждает, что они должны быть там, и эксперименты, кажется, подтверждают это — определенно, FQHE-состояния с четным знаменателем, по-видимому, присутствуют, по крайней мере, согласно женевским экспериментам».
Это все еще шаг до экспериментального доказательства того, что эти ступенчатые состояния с четным знаменателем на самом деле содержат неабелевы энионы. Остается еще много работы, но Папич оптимистичен: «Возможно, это проще доказать в графене, чем в полупроводниках.
Все происходит прямо на поверхности».Еще рано, но похоже, что двухслойный графен может быть волшебным материалом, который позволяет строить такой кубит.
Это станет важной отметкой на маловероятной границе между грифелем карандаша и квантовыми компьютерами.