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主页>压力机>的研究揭示了双层石墨烯中奇异的量子态:这些发现为量子系统中电子相互作用的本质提供了新的解释,并为未来的量子计算机建立了一个潜在的新平台

在石墨烯双层结构中发现了一种新型准粒子。这个所谓的复合费米子由一个电子和两种不同类型的磁通量组成,如图中蓝色和金色箭头所示。复合费米子能够形成对,这种独特的相互作用导致了意想不到的新量子霍尔现象的实验发现。米歇尔·米勒和贾莉/布朗大学
在石墨烯双层结构中发现了一种新型准粒子。这个所谓的复合费米子由一个电子和两种不同类型的磁通量组成,如图中蓝色和金色箭头所示。复合费米子能够形成对,这种独特的相互作用导致了意想不到的新量子霍尔现象的实验发现。米歇尔·米勒和贾莉/布朗大学

摘要:
来自布朗大学和哥伦比亚大学的研究人员已经证明了在双层石墨烯(一种二维纳米材料)中出现的未知物质状态。这些被称为分数量子霍尔效应的新状态是由石墨烯层内外电子的复杂相互作用产生的。

研究揭示了双层石墨烯中奇异的量子态:这些发现揭示了量子系统中电子相互作用的本质,并为未来的量子计算机建立了一个潜在的新平台

纽约,NY |于2019年6月26日发布

布朗大学的物理学助理教授贾力(音译)说。他是哥伦比亚大学的博士后,与物理学教授科里·迪恩(Cory Dean)和机械工程教授吉姆·霍恩(Jim Hone)一起工作时,开始了这项工作。在材料工程方面,这项工作表明这些分层系统在创造利用这些新的量子霍尔态的新型电子设备方面是可行的



在石墨烯双层结构中发现了一种新型准粒子。这个所谓的复合费米子由一个电子和两种不同类型的磁通量组成,如图中蓝色和金色箭头所示。复合费米子能够形成对,这种独特的相互作用导致了意想不到的新量子霍尔现象的实验发现。

米歇尔·米勒和贾莉/布朗大学



这项研究发表在《自然物理》杂志上。

重要的是,哥伦比亚大学工程学院的机械工程教授Hone说,这些新的量子霍尔态中的一些可能在制造容错量子计算机方面有用

当磁场作用于与电流方向垂直的导电材料上时,就会产生霍尔效应。磁场使电流偏转,产生横向电压,称为霍尔电压。霍尔电压的强度随磁场强度的增大而增大。霍尔效应的量子版本最早是在1980年的低温和强磁场实验中发现的。实验结果表明,霍尔电压并非随磁场强度的增加而平稳增加,而是呈阶梯(或量子化)方式增加。这些步骤是自然基本常数的整数倍,完全独立于实验所用材料的物理组成。这一发现获得了1985年诺贝尔物理学奖。

几年后,研究人员在接近绝对零度的温度和很强的磁场下发现了量子霍尔态的新类型,其中霍尔电压的量子步骤对应于分数位数,因此被称为分数量子霍尔效应。分数量子霍尔效应的发现获得了1998年的另一个诺贝尔奖。理论家们后来提出,分数量子霍尔效应与被称为复合费米子的准粒子的形成有关。在这种状态下,每个电子与一个磁通量子结合形成一个复合费米子,携带一个电子电荷的一部分,产生霍尔电压的分数值。

复合费米子理论成功地解释了在单个量子阱系统中观察到的无数现象。这项新研究使用双层石墨烯来研究两个量子阱靠近时会发生什么。理论认为两层之间的相互作用将导致一种新型的复合费米子,但这在实验中从未被观察到。

为了进行实验,研究小组在哥伦比亚大学进行了多年的工作,以提高石墨烯器件的质量,完全用原子平面二维材料制造出了超清洁器件。该结构的核心由两层石墨烯层构成,中间有一层六角形氮化硼薄层作为绝缘层。该双层结构由六方氮化硼作为保护绝缘体封装,石墨作为导电门改变通道中的电荷载流子密度。

石墨烯惊人的多功能性再一次让我们突破了以往设备结构的极限。哥伦比亚大学的物理学教授迪安说。我们制造这些设备的精确性和可调性现在使我们能够探索一个刚刚被认为是完全不可接近的整个物理领域。

石墨烯结构随后暴露在比地球磁场强数百万倍的强磁场中。这项研究产生了一系列分数量子霍尔态,其中一些与复合费米子模型非常吻合,还有一些从未被预测或看到过。

除了层间复合费米子之外,我们还观察到了复合费米子模型无法解释的其他特征。一项更仔细的研究表明,令我们惊讶的是,这些新态是由复合费米子之间的配对产生的。相邻层之间和同一层内的配对相互作用产生了各种新的量子现象,使双层石墨烯成为一个令人兴奋的研究平台。

霍恩说:“特别有趣的是,有几个新的态有可能承载非阿贝尔波函数,这些态不太符合传统的复合费米子模型。在非阿贝尔态中,电子保持一种对彼此过去位置的记忆。”vwin徳赢官网这有可能使量子计算机不需要纠错,而纠错目前是该领域的主要绊脚石。

“这是30年来第一批非阿贝尔州的新候选人,”迪恩说。看到新物理从我们的实验中出现真的很令人兴奋。

关于研究

这项研究的题目是“双层石墨烯中复合费米子的配对态”。

作者分别是:李佳丽、史千辉、曾一航、渡边健二、田口隆史、霍恩和迪恩。

这项研究得到了国家科学基金会(DMR-1507788)、大卫和露西尔·帕卡德基金会以及能源部(DE-SC0016703)的支持。

磁场实验是在佛罗里达州塔拉哈西的国家高磁场实验室完成的,该实验室是一个国家资助的用户设施。

作者声明没有相互竞争的利益。

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有关详细信息,请单击在这里

联络:
Holly Evarts,哥伦比亚工程公司战略传播和媒体关系总监

212-854-3206(O),347-453-7408(C),

凯文·斯泰西,布朗大学物理科学高级作家

401-863-3766(O);401-447-3800,

哥伦比亚大学工程与应用科学学院版权所有

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