Efek Hall kuantum fraksional umumnya telah diamati di bawah medan magnet yang sangat tinggi, namun fisikawan di MIT kini telah mengamatinya dalam graphene sederhana. Dalam superlattice moire graphene/hexagonal boron nitride (hBN) lima lapis, elektron (bola biru) berinteraksi kuat satu sama lain dan berperilaku seolah-olah dipecah menjadi muatan pecahan. Kredit: Sampson Wilcox, RLE
Elektron adalah satuan dasar listrik karena ia membawa muatan negatif tunggal. Itulah yang diajarkan fisika sekolah menengah kepada kita, dan itu adalah sebagian besar alam.
Namun dalam keadaan materi yang sangat khusus, elektron dapat terpecah menjadi pecahan-pecahan dari keseluruhannya. Fenomena ini, yang dikenal sebagai “muatan fraksional,” sangat jarang terjadi, dan jika dapat dikorelasikan dan dikendalikan, keadaan elektronik yang eksotik ini dapat membantu membangun komputer kuantum yang kuat dan toleran terhadap kesalahan.
Sampai saat ini, efek ini, yang dikenal oleh fisikawan sebagai “efek Hall kuantum pecahan”, telah diamati beberapa kali dan sebagian besar terjadi di bawah medan magnet yang sangat tinggi dan dijaga dengan hati-hati. Baru-baru ini para ilmuwan melihat efek pada material yang tidak memerlukan manipulasi magnet yang kuat.
Fisikawan di MIT kini telah mengamati efek muatan pecahan yang sulit dipahami, kali ini dalam bahan yang lebih sederhana: lima lapisan graphene—lapisan karbon tipis secara atom yang berasal dari grafit dan padatan biasa. Mereka melaporkan hasilnya di Nature.
Mereka menemukan bahwa ketika lima lembar graphene ditumpuk seperti anak tangga, struktur yang dihasilkan secara inheren menyediakan kondisi yang tepat bagi elektron untuk melewati sebagian kecil dari muatan totalnya, tanpa memerlukan medan magnet eksternal.
Hasilnya adalah bukti pertama dari “efek Hall anomali kuantum pecahan” (istilah “anomali” mengacu pada tidak adanya medan magnet) dalam kristal graphene, bahan yang tidak diharapkan oleh fisikawan untuk menunjukkan efek ini.
“Grafena lima lapis ini adalah sistem material tempat banyak kejutan baik terjadi,” kata penulis studi Long Ju, asisten profesor fisika di MIT. “Muatan pecahan sangat eksotis, dan sekarang kita dapat mewujudkan efek ini dengan sistem yang lebih sederhana dan tanpa medan magnet. Hal ini penting untuk fisika dasar. Dan ini dapat memungkinkan jenis komputasi kuantum yang lebih tahan terhadap interferensi. “
Rekan penulis Ju di MIT adalah penulis utama Zhengguang Lu, Tonghang Han, Yuxuan Yao, Aidan Reddy, Jixiang Yang, Junseok Seo dan Liang Fu, bersama dengan Kenji Watanabe dan Takashi Taniguchi dari Institut Nasional Ilmu Material di Jepang.
Keadaan yang aneh
Efek Hall kuantum pecahan adalah contoh fenomena aneh yang dapat terjadi ketika partikel berubah dari berperilaku sebagai unit individu menjadi bertindak bersama sebagai keseluruhan. Perilaku “berkorelasi” kolektif ini muncul dalam keadaan khusus, seperti ketika elektron diperlambat dari kecepatan biasanya yang hingar-bingar menjadi merangkak, yang memungkinkan partikel-partikel tersebut merasakan satu sama lain dan berinteraksi. Interaksi ini dapat menghasilkan keadaan elektronik yang langka seperti pemisahan muatan elektron yang tampaknya tidak lazim.
Pada tahun 1982, para ilmuwan menemukan efek Hall kuantum pecahan dalam heterostruktur galium arsenida, di mana gas elektron terkurung dalam bidang dua dimensi ditempatkan di bawah medan magnet tinggi. Penemuan ini kemudian membuat kelompok tersebut mendapatkan Hadiah Nobel Fisika.
“[The discovery] adalah masalah yang sangat besar karena muatan satuan ini berinteraksi sedemikian rupa sehingga menghasilkan muatan pecahan yang sangat, sangat aneh,” kata Ju. “Tidak ada prediksi teoritis pada saat itu, dan eksperimen tersebut mengejutkan semua orang.”
Para peneliti ini mencapai hasil terobosan mereka dengan menggunakan medan magnet untuk memperlambat elektron material agar dapat berinteraksi. Bidang yang mereka kerjakan sekitar 10 kali lebih kuat dari apa yang biasanya menggerakkan peralatan MRI.
Pada bulan Agustus 2023, para ilmuwan di Universitas Washington melaporkan bukti pertama muatan pecahan tanpa medan magnet. Mereka mengamati versi efek “anomali” ini dalam semikonduktor bengkok yang disebut molibdenum ditellurida. Kelompok tersebut menyiapkan material dalam konfigurasi tertentu yang diperkirakan oleh para ahli teori akan memberikan material tersebut medan magnet intrinsik yang cukup untuk mendorong elektron melakukan fraksionasi tanpa kontrol magnet eksternal.
Hasil “bebas magnet” membuka jalan yang menjanjikan menuju komputasi kuantum topologi—bentuk komputasi kuantum yang lebih aman di mana komponen topologi tambahan (properti yang tetap tidak berubah dalam menghadapi deformasi atau gangguan yang lemah) memberikan perlindungan tambahan pada qubit. saat melakukan perhitungan.
Skema komputasi ini didasarkan pada kombinasi efek Hall kuantum fraksional dan superkonduktor. Dulu hal ini hampir mustahil untuk disadari: Seseorang memerlukan medan magnet yang kuat untuk mendapatkan muatan pecahan, sedangkan medan magnet yang sama biasanya mematikan superkonduktor. Dalam hal ini, muatan pecahan akan berfungsi sebagai qubit (unit dasar komputer kuantum).
Foto tim. Dari kiri ke kanan: Long Ju, Postdoc Zhengguang Lu, sarjana tamu Yuxuan Yao, mahasiswa pascasarjana Tonghang Hang. Kredit: Jixiang Yang
Mengambil langkah
Pada bulan yang sama, Ju dan timnya juga mengamati tanda-tanda muatan pecahan yang tidak wajar pada graphene—bahan yang tidak diperkirakan akan menunjukkan efek seperti itu.
Kelompok Yu menyelidiki perilaku elektronik dalam graphene, yang menunjukkan sifat luar biasa. Baru-baru ini, kelompok Ju mengamati lima lapisan graphene—struktur lima lembar graphene, masing-masing ditumpuk agak terpisah, seperti anak tangga.
Struktur graphene lima lapis tersebut tertanam dalam grafit dan dapat diperoleh dengan pengelupasan kulit menggunakan selotip. Ketika ditempatkan di lemari es pada suhu sangat rendah, elektron-elektron struktur tersebut melambat dan berinteraksi dengan cara yang tidak biasa mereka lakukan ketika bergerak pada suhu yang lebih tinggi.
Dalam karya baru mereka, para peneliti melakukan beberapa perhitungan dan menemukan bahwa elektron dapat berinteraksi lebih kuat jika struktur lima lapisan disejajarkan dengan heksagonal boron nitrida (hBN) – bahan yang memiliki struktur atom mirip dengan graphene, tetapi dengan sedikit dimensi yang berbeda.
Jika digabungkan, kedua bahan tersebut akan menciptakan superlattice moiré – struktur kompleks seperti perancah atom yang dapat memperlambat elektron dengan cara yang meniru medan magnet.
“Kami melakukan perhitungan ini dan kemudian kami berkata, mari kita lakukan,” kata Ju, yang kebetulan memasang lemari es pengenceran baru di laboratoriumnya di MIT musim panas lalu, yang rencananya akan digunakan oleh tim untuk mendinginkan bahan hingga suhu sangat rendah. untuk mempelajari perilaku elektronik eksotik.
Para peneliti menghasilkan dua sampel struktur graphene hibrida dengan terlebih dahulu mengupas lapisan graphene dari blok grafit dan kemudian menggunakan instrumen optik untuk mengidentifikasi serpihan lima lapisan dalam konfigurasi terhuyung-huyung. Mereka kemudian mengekstrusi serpihan graphene ke serpihan hBN dan menempatkan serpihan hBN kedua di atas struktur graphene. Akhirnya, mereka menempelkan elektroda ke struktur dan menempatkannya di lemari es, dengan suhu mendekati nol mutlak.
Ketika mereka mengalirkan arus ke material dan mengukur tegangan keluaran, mereka mulai melihat tanda-tanda muatan pecahan, di mana tegangan sama dengan arus dikalikan dengan bilangan pecahan dan beberapa konstanta fisika dasar.
“Pada hari kami melihatnya, awalnya kami tidak mengenalinya,” kata penulis pertama Lu. “Kemudian kami mulai berteriak ketika kami menyadari bahwa ukurannya sangat besar. Itu adalah momen yang sangat mengejutkan.”
“Ini mungkin sampel serius pertama yang kami masukkan ke dalam lemari es baru,” tambah rekan penulis pertama, Han. “Setelah kami tenang, kami melihat lebih dekat untuk memastikan apa yang kami lihat itu nyata.
Dengan analisis lebih lanjut, tim mengkonfirmasi bahwa struktur graphene memang menunjukkan efek Hall anomali kuantum pecahan. Ini adalah pertama kalinya efek ini diamati pada graphene.
“Graphene juga bisa menjadi superkonduktor,” kata Ju. “Jadi Anda dapat memiliki dua efek yang sangat berbeda pada material yang sama, tepat bersebelahan. Jika Anda menggunakan graphene untuk berbicara dengan graphene, Anda menghindari banyak efek yang tidak diinginkan saat menggabungkan graphene dengan material lain.”
Untuk saat ini, kelompok tersebut terus mengeksplorasi graphene multilayer untuk keadaan elektronik langka lainnya.
“Kami menyelam untuk mengeksplorasi banyak ide dan penerapan fisika mendasar,” katanya. “Kami tahu akan ada lebih banyak lagi.
Informasi lebih lanjut:
Long Ju, Efek Hall anomali kuantum pecahan dalam graphene multilayer, Nature (2024). DOI: 10.1038/s41586-023-07010-7. www.nature.com/articles/s41586-023-07010-7
Disediakan oleh Institut Teknologi Massachusetts
Kisah ini diterbitkan ulang atas izin MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), sebuah situs populer yang meliput berita tentang penelitian, inovasi, dan pengajaran MIT.
Kutipan: Elektron menjadi pecahannya sendiri dalam graphene, temuan penelitian (2024, 21 Februari) Diakses pada 21 Februari 2024, dari https://phys.org/news/2024-02-electrons-fractions-graphene.html
Dokumen ini memiliki hak cipta. Kecuali untuk tindakan bonafid apa pun untuk tujuan studi atau penelitian pribadi, tidak ada bagian yang boleh direproduksi tanpa izin tertulis. Konten disediakan untuk tujuan informasi saja.
+ There are no comments
Add yours