MIT의 새로운 그래핀 혁신으로 양자 컴퓨팅의 미래 형성

부분적인 양자 홀 효과는 일반적으로 매우 높은 자기장에서 나타났지만 이제 MIT 물리학자들은 단순한 그래핀에서 이를 관찰했습니다. 그래핀/육각형 질화붕소(hBN)의 5층 초격자에서 전자(청색 공)는 서로 강하게 상호 작용하며 마치 분수 전하로 나누어진 것처럼 행동합니다. 신용: Sampson Wilcox, RLE

이상한 전자 상태가 발견되었습니다. 매사추세츠 공과대학 물리학자들은 보다 강력한 형태의 정량적 통계.

전자는 단일 음전하를 운반하기 때문에 전기의 기본 단위입니다. 이것이 우리가 고등학교 물리학에서 배운 내용이며, 자연의 대부분의 과목에서 압도적으로 그렇습니다.

그러나 매우 특별한 물질 상태에서는 전자가 전체 전체의 일부로 분할될 수 있습니다. '부분 전하'로 알려진 이 현상은 극히 드물며, 이 현상을 포착하고 제어할 수 있다면 이국적인 전자 상태는 유연하고 내결함성이 있는 양자 컴퓨터를 구축하는 데 도움이 될 수 있습니다.

지금까지 물리학자들에게 “분수 양자 홀 효과”로 알려진 이 효과는 주로 매우 높고 조심스럽게 유지되는 자기장 하에서 여러 번 관찰되었습니다. 최근에야 과학자들은 강력한 자기 조작이 필요하지 않은 물질에서 이러한 효과를 발견했습니다.

이제 MIT의 물리학자들은 이해하기 어려운 부분 전하 효과를 관찰했는데, 이번에는 더 단순한 물질인 5개 층… 그래핀 – 저것 옥수수– 얇은 탄소층은 흑연과 일반 납에서 유래합니다. 그들은 2월 21일 저널에 연구 결과를 보고했습니다. 자연.

팀 사진. 왼쪽부터: Long Ju, 박사후 연구원 Zhengguang Lu, 학부생 Yuxuan Yao, 대학원생 Tonghang Huang. 크레딧: 양지샹

그들은 5장의 그래핀 시트가 사다리의 가로대처럼 쌓였을 때 결과적인 구조가 본질적으로 외부 자기장이 필요 없이 전자가 전체 전하의 일부로 통과할 수 있는 올바른 조건을 제공한다는 것을 발견했습니다.

이번 결과는 물리학자들이 이 효과를 나타낼 것으로 예상하지 못했던 결정질 그래핀에서 “부분 양자 변칙 홀 효과”(“변칙”은 자기장이 없음을 의미함)에 대한 최초의 증거입니다.

“이 5층 그래핀은 많은 놀라운 일이 일어나는 물질 시스템입니다.”라고 MIT 물리학과 조교수이자 연구 저자인 Long Ju는 말했습니다. “부분 전하는 매우 이상합니다. 이제 우리는 자기장 없이 훨씬 더 간단한 시스템을 사용하여 이 효과를 얻을 수 있습니다. 이는 그 자체로 기초 물리학에 중요합니다. 이는 보다 강력한 양자 컴퓨팅 유형의 가능성을 열어줄 수 있습니다. 방해에 맞서.”

MIT의 공동 저자로는 수석 저자인 Zhengguang Lu, Tonghang Han, Yuxuan Yao, Aidan Reddy, Jixiang Yang, Junseok Seo, Liang Fu와 일본 국립 재료 과학 연구소의 Kenji Watanabe 및 Takashi Taniguchi가 있습니다.

이상한 나라

부분 양자 홀 효과는 입자가 개별 단위로 동작하다가 전체로 함께 동작할 때 발생할 수 있는 이상한 현상의 예입니다. 이러한 집합적인 “일관된” 행동은 특별한 경우에 나타납니다. 예를 들어 전자가 평소의 열광적인 속도에서 분자가 서로를 감지하고 상호 작용할 수 있게 하는 크롤링 속도로 느려지는 경우입니다. 이러한 상호 작용은 전자 전하의 비전통적인 분할과 같은 희귀한 전자 상태를 생성할 수 있습니다.

1982년에 과학자들은 갈륨 비소 이종 구조에서 부분적인 양자 홀 효과를 발견했습니다. 이 구조에서는 2차원 평면에 갇힌 전자 가스가 높은 자기장 하에 유지됩니다. 이 발견은 나중에 이 그룹이 노벨 물리학상을 받는 계기가 되었습니다.

“[The discovery] “이것은 매우 큰 문제였습니다. 부분 전하와 같은 방식으로 이러한 전하 단위의 상호 작용이 매우 이상했기 때문입니다.”라고 Joe는 말합니다. “당시에는 이론적인 예측이 전혀 없었고 실험이 모두를 놀라게 했습니다.”

이 연구자들은 자기장을 사용하여 물질의 전자가 상호 작용할 수 있을 만큼 속도를 늦춤으로써 선구적인 결과를 달성했습니다. 그들이 작업한 자기장은 일반적으로 MRI 기계에 전력을 공급하는 자기장보다 약 10배 더 강력했습니다.

2023년 8월, 과학자들은 워싱턴대학교 그는 자기장이 없어도 부분 전하가 존재한다는 최초의 증거를 보고했습니다. 그들은 몰리브덴 디텔루라이드(molybdenum ditelluride)라고 불리는 꼬인 반도체에서 이 “변칙적인” 버전의 효과를 관찰했습니다. 연구진은 이론가들이 물질에 외부 자기 제어 없이 전자가 분열되도록 유도하기에 충분한 고유한 자기장을 제공할 것으로 예측한 특정 구성으로 물질을 준비했습니다.

“자석 없음” 결과는 토폴로지의 추가 구성 요소(왜곡이나 약한 교란에도 변하지 않는 속성)가 큐비트에 대한 추가 보호를 제공하는 보다 안전한 형태의 양자 컴퓨팅인 토폴로지 양자 컴퓨팅에 대한 유망한 경로를 열었습니다. 계산을 수행할 때. 이 계산 방식은 부분 양자 홀 효과와 초전도성의 조합을 기반으로 합니다. 이를 실현하는 것은 거의 불가능했습니다. 부분 전하를 얻으려면 강한 자기장이 필요하지만 동일한 자기장은 일반적으로 초전도체를 죽일 것입니다. 이 경우 부분 전하는 큐비트(양자 컴퓨터의 기본 단위)가 됩니다.

단계 만들기

같은 달, Gu와 그의 팀은 그러한 효과를 보일 것으로 예상되지 않은 재료인 그래핀에서 변칙적인 부분 전하의 징후를 우연히 발견했습니다.

Gu의 그룹은 그 자체로 뛰어난 특성을 입증한 그래핀의 전자적 거동을 탐구해 왔습니다. 최근 Gu의 그룹은 사다리의 가로대처럼 서로 약간 떨어져 쌓인 5개의 그래핀 시트로 구성된 구조인 5층 그래핀을 조사했습니다. 이 오각형 그래핀 구조는 흑연에 내장되어 있으며 스카치 테이프로 박리하여 얻을 수 있습니다. 매우 추운 온도의 냉동고에 보관하면 구조물의 전자가 천천히 기어가며 더 높은 온도에서 돌아다닐 때 일반적으로 반응하지 않는 방식으로 반응합니다.

연구진은 새로운 연구에서 몇 가지 계산을 수행한 결과, 오각형 층 구조가 그래핀과 유사한 원자 구조를 가진 물질인 육방정계 질화붕소(hBN)와 정렬되면 전자가 서로 더 강하게 상호 작용할 수 있다는 사실을 발견했습니다. 약간 다른 치수로. 두 물질을 결합하면 자기장을 모방하는 방식으로 전자의 움직임을 느리게 할 수 있는 복잡한 비계와 같은 원자 구조인 초격자를 생성해야 합니다.

지난 여름 MIT 연구실에 새로운 희석 냉장고를 설치한 Joe는 “우리는 이러한 계산을 한 다음 '해보자'라고 생각했습니다.”라고 말했습니다. Joe는 이 냉장고를 사용하여 재료를 극저온으로 냉각할 계획이었습니다. 온도. 전자 행동.

연구진은 먼저 흑연 블록에서 그래핀 층을 벗겨낸 다음 광학 도구를 사용하여 등급 구성에서 5층 플레이크를 식별함으로써 하이브리드 그래핀 구조의 두 샘플을 제작했습니다. 그런 다음 그들은 그래핀 웨이퍼를 hBN 웨이퍼에 스탬핑하고 그래핀 구조 위에 두 번째 hBN 웨이퍼를 배치했습니다. 마지막으로 그들은 구조물에 전극을 부착하고 냉동고에 넣은 다음 가까운 곳에 두었습니다. 절대 영도.

그들이 물질에 전류를 가하고 전압 출력을 측정했을 때, 전압은 전류에 분수와 일부 기본 물리적 상수를 곱한 것과 같은 분수 전하의 특징을 보기 시작했습니다.

첫 번째 저자인 Lu는 “우리가 그를 본 날 처음에는 그를 알아보지 못했습니다.”라고 말했습니다. “그런 다음 이것이 정말 큰 일이라는 것을 깨달았을 때 우리는 비명을 지르기 시작했습니다. 완전히 놀라운 순간이었습니다.”

공동 제1저자인 Hahn은 “이것은 아마도 우리가 새 냉장고에 넣은 최초의 진지한 샘플이었을 것입니다.”라고 덧붙였습니다. 마음을 진정시킨 후 우리는 우리가 보고 있는 것이 진짜인지 확인하기 위해 세부 사항을 조사했습니다.”

연구팀은 추가 분석을 통해 그래핀 구조가 실제로 부분적인 양자 변칙 홀 효과를 나타냄을 확인했습니다. 이 효과가 그래핀에서 나타난 것은 이번이 처음입니다.

“그래핀은 또한 초전도체가 될 수 있습니다”라고 Gu는 말했습니다. “따라서 동일한 재료에서 서로 완전히 다른 두 가지 효과를 가질 수 있습니다. 그래핀을 사용하여 그래핀과 대화하면 그래핀을 다른 재료에 결합할 때 원하지 않는 많은 효과를 피할 수 있습니다.”

현재 팀은 다른 희귀 전자 상태에 대한 다층 그래핀을 계속 탐색하고 있습니다.

“우리는 많은 기본적인 물리학 아이디어와 응용을 탐구하기 위해 뛰어들었습니다.”라고 그는 말합니다. “우리는 앞으로 더 많은 것이 있을 것이라는 것을 알고 있습니다.”

참고 자료: Zhengguang Lu, Tonghang Han, Yuxuan Yao, Aidan P. Reddy, Jixiang Yang, Junseok Seo, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Liang Fu 및 Long Ju의 “다층 그래핀의 부분 양자 변칙 홀 효과”, 2024년 2월 21일, 자연.
도이: 10.1038/s41586-023-07010-7

이 연구는 Sloan Foundation과 National Science Foundation의 일부 지원을 받았습니다.