يشكل اختراق الجرافين الجديد لمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا مستقبل الحوسبة الكمومية

عادةً ما يتم ملاحظة تأثير هول الكمي الجزئي في ظل مجالات مغناطيسية عالية جدًا، لكن علماء الفيزياء في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا لاحظوه الآن في الجرافين البسيط. في شبكة فائقة التموج مكونة من خمس طبقات من الجرافين/نيتريد البورون السداسي (hBN)، تتفاعل الإلكترونات (الكرة الزرقاء) بقوة مع بعضها البعض، وتتصرف كما لو كانت منقسمة إلى شحنات كسرية. الائتمان: سامبسون ويلكوكس، RLE

حالة إلكترونية غريبة لاحظها معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا يمكن للفيزيائيين تمكين أشكال أكثر قوة من الاحصاء الكمية.

الإلكترون هو الوحدة الأساسية للكهرباء لأنه يحمل شحنة سالبة واحدة. هذا ما نتعلمه في الفيزياء في المدرسة الثانوية، وهذا هو الحال في الغالب بالنسبة لمعظم المواد الطبيعية.

لكن في حالات المادة الخاصة جدًا، يمكن للإلكترونات أن تنقسم إلى كسور. هذه الظاهرة، المعروفة باسم “الشحن الجزئي”، نادرة للغاية، وإذا أمكن تحديدها والسيطرة عليها، فإن الحالة الإلكترونية الغريبة يمكن أن تساعد في بناء أجهزة كمبيوتر كمومية مرنة ومتسامحة مع الأخطاء.

حتى الآن، تمت ملاحظة هذا التأثير، المعروف لدى الفيزيائيين باسم “تأثير هول الكمي الجزئي”، مرارًا وتكرارًا، وفي الغالب تحت مجالات مغناطيسية عالية جدًا ومُصانة بعناية. في الآونة الأخيرة فقط لاحظ العلماء هذا التأثير في مادة لا تتطلب مثل هذا التلاعب المغناطيسي القوي.

الآن، لاحظ فيزيائيون من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا تأثير الشحنة الجزئية بعيد المنال، هذه المرة في مادة أبسط: خمس طبقات من الجرافين – أ ذرة– طبقة رقيقة من الكربون من الجرافيت ورصاص قلم الرصاص العادي. وقد أبلغوا عن نتائجهم في 21 فبراير في المجلة طبيعة.

صورة للفريق. من اليسار إلى اليمين: لونغ جو، زميل ما بعد الدكتوراه زينغوانغ لو، الزائر الجامعي يوكسوان ياو، طالب الدراسات العليا تونغهانغ هانغ. الائتمان: جيشيانغ يانغ

اكتشفوا أنه عندما يتم تكديس خمس أوراق من الجرافين مثل درجات السلم، فإن البنية الناتجة توفر بطبيعتها الظروف المثالية لتمرير الإلكترونات كأجزاء من شحنتها الإجمالية، دون الحاجة إلى مجال مغناطيسي خارجي.

النتائج هي أول دليل على “تأثير هول الشاذ الكمي الجزئي” (يشير مصطلح “شاذ” إلى غياب المجال المغناطيسي) في الجرافين البلوري، وهي مادة لم يتوقع الفيزيائيون أن تظهر هذا التأثير.

يقول مؤلف الدراسة لونغ جو، الأستاذ المساعد في الفيزياء في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا: “إن هذا الجرافين المكون من خمس طبقات هو نظام مادي تحدث فيه العديد من المفاجآت الجيدة”. “إن الشحن الجزئي أمر غريب جدًا، ويمكننا الآن تحقيق هذا التأثير باستخدام نظام أبسط بكثير بدون مجال مغناطيسي. وهذا في حد ذاته مهم للفيزياء الأساسية. ويمكن أن يمهد الطريق لنوع من الحوسبة الكمومية التي تكون أكثر قوة في مواجهة الاضطرابات.

المؤلفون المشاركون لجو في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا هم المؤلفون الرئيسيون زينغوانغ لو، وتونغانغ هان، ويوكسوان ياو، وإيدان ريدي، وجيشيانغ يانغ، وجونسوك سيو، وليانغ فو، بالإضافة إلى كينجي واتانابي وتاكاشي تانيجوتشي من المعهد الوطني لعلوم المواد في اليابان.

دولة غريبة

يعد تأثير هول الكمي الجزئي مثالًا على الظواهر الغريبة التي يمكن أن تحدث عندما تتحرك الجسيمات من التصرف كوحدات فردية إلى التصرف ككل. ويظهر هذا السلوك الجماعي “المترابط” في حالات معينة، على سبيل المثال عندما يتم إبطاء الإلكترونات من وتيرتها المحمومة عادة إلى معدل يسمح للجسيمات باستشعار بعضها البعض والتفاعل. يمكن لهذه التفاعلات أن تنتج حالات إلكترونية نادرة، مثل الانقسام غير التقليدي لشحنة الإلكترون.

في عام 1982، اكتشف العلماء تأثير هول الكمي الجزئي في الهياكل المتغايرة لزرنيخيد الغاليوم، حيث يتم وضع غاز الإلكترون المحصور في مستوى ثنائي الأبعاد تحت مجالات مغناطيسية عالية. أدى هذا الاكتشاف لاحقًا إلى حصول المجموعة على جائزة نوبل في الفيزياء.

“[The discovery] يقول جو: “كانت هذه مشكلة كبيرة جدًا، لأن تفاعل وحدات الشحن هذه بطريقة تعطي شيئًا مثل الشحنة الكسرية كان غريبًا جدًا”. “في ذلك الوقت، لم تكن هناك تنبؤات نظرية والتجارب فاجأت الجميع. »

حقق هؤلاء الباحثون نتائج رائدة باستخدام المجالات المغناطيسية لإبطاء إلكترونات المادة بدرجة كافية حتى تتمكن من التفاعل. وكانت المجالات التي عملوا بها أقوى بنحو 10 مرات من تلك التي تشغل عادة جهاز التصوير بالرنين المغناطيسي.

في أغسطس 2023، علماء من جامعة واشنطن أبلغ عن أول دليل على الشحن الجزئي بدون مجال مغناطيسي. وقد لاحظوا هذه النسخة “الشاذة” من التأثير، في شبه موصل ملتوي يسمى ثنائي تلورايد الموليبدينوم. أعدت المجموعة المادة بتكوين محدد، والذي يعتقد المنظرون أنه سيعطي المادة مجالًا مغناطيسيًا متأصلًا، وهو ما يكفي لتشجيع الإلكترونات على الانقسام دون أي تحكم مغناطيسي خارجي.

فتحت نتيجة “الخالية من المغناطيس” طريقا واعدا نحو الحوسبة الكمومية الطوبولوجية – وهو شكل أكثر أمانا من الحوسبة الكمومية، حيث يوفر المكون الإضافي للطوبولوجيا (خاصية تظل دون تغيير في مواجهة التشوه أو الاضطراب البسيط) حماية إضافية للحوسبة الكمومية. الكيوبت. عند إجراء عملية حسابية. يعتمد مخطط الحساب هذا على مزيج من تأثير هول الكمي الجزئي والموصل الفائق. في الماضي، كان تحقيق ذلك مستحيلًا تقريبًا: فأنت بحاجة إلى مجال مغناطيسي قوي للحصول على شحنة جزئية، في حين أن نفس المجال المغناطيسي عادةً ما يقتل الموصل الفائق. في هذه الحالة، ستكون الشحنات الكسرية بمثابة الكيوبت (الوحدة الأساسية للكمبيوتر الكمي).

اتخاذ خطوات

وفي الشهر نفسه، لاحظ جو وفريقه أيضًا علامات وجود شحنات جزئية شاذة في الجرافين، وهي مادة لم يكن هناك توقع لمثل هذا التأثير لها.

استكشفت مجموعة جو السلوك الإلكتروني للجرافين، الذي يُظهر خصائص استثنائية في حد ذاته. وفي الآونة الأخيرة، بحثت مجموعة جو في الجرافين المكون من خمس طبقات، وهو هيكل مكون من خمس صفائح جرافين، كل منها مكدسة بشكل خفيف بالنسبة لبعضها البعض، مثل درجات السلم. يتم تضمين هيكل الجرافين المكون من خمس طبقات في الجرافيت ويمكن الحصول عليه عن طريق التقشير باستخدام شريط لاصق. عند وضعها في الثلاجة في درجات حرارة شديدة البرودة، تتباطأ إلكترونات الهيكل إلى النقطة وتتفاعل بطرق لا تتفاعل عادة عند الدوران في درجات حرارة أعلى.

في عملهم الجديد، أجرى الباحثون بعض الحسابات ووجدوا أن الإلكترونات يمكن أن تتفاعل بقوة أكبر مع بعضها البعض إذا كان هيكل الطبقة الخماسية محاذيًا لنيتريد البورون السداسي (hBN) – وهي مادة لها تركيب ذري مشابه لتركيب الجرافين، ولكن بأبعاد مختلفة قليلاً. من المتوقع أن تنتج المادتان معًا شبكة تموج في النسيج الفائقة، وهي بنية ذرية معقدة تشبه السقالة يمكنها إبطاء الإلكترونات بطريقة تحاكي المجال المغناطيسي.

يقول جو، الذي قام في الصيف الماضي بتركيب ثلاجة تخفيف جديدة في مختبره بمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، والتي خطط الفريق لاستخدامها لتبريد المواد عند درجات حرارة منخفضة للغاية، “لقد أجرينا هذه الحسابات، ثم قلنا، دعونا نفعل ذلك”. دراسة المواد الغريبة. السلوك الإلكتروني.

صنع الباحثون عينتين من البنية الهجينة للجرافين عن طريق تقشير طبقات الجرافين أولاً من كتلة من الجرافيت، ثم استخدام الأدوات البصرية لتحديد الرقائق ذات الخمس طبقات في تكوين الدرج. ثم قاموا بطباعة رقاقة الجرافين على رقاقة hBN ووضعوا رقاقة hBN ثانية على هيكل الجرافين. وأخيراً، قاموا بتوصيل أقطاب كهربائية بالهيكل ووضعوه في الثلاجة، عند درجة حرارة قريبة من الصفر المطلق.

من خلال تطبيق التيار على المادة وقياس جهد الخرج، بدأوا في رؤية توقيعات الشحن الجزئي، حيث يساوي الجهد التيار مضروبًا في عدد كسري وبعض الثوابت الفيزيائية الأساسية.

يقول المؤلف الأول لو: “في اليوم الذي رأيناه فيه، لم نتعرف عليه في البداية. ثم بدأنا بالصراخ عندما أدركنا أنه كان ضخمًا حقًا. لقد كانت لحظة مفاجئة تماما.

ويضيف هان، المؤلف المشارك الأول: “ربما كانت تلك العينات الجادة الأولى التي وضعناها في الثلاجة الجديدة”. “وبمجرد أن هدأنا، بحثنا في التفاصيل للتأكد من أن ما رأيناه كان حقيقيًا”.

ومع مزيد من التحليل، أكد الفريق أن بنية الجرافين أظهرت بالفعل تأثير هول الشاذ الكمي الجزئي. وهذه هي المرة الأولى التي يتم فيها ملاحظة هذا التأثير في الجرافين.

يقول جو: “يمكن أن يكون الجرافين أيضًا موصلًا فائقًا”. “لذلك يمكن أن يكون لديك تأثيران مختلفان تمامًا في نفس المادة، بجانب بعضهما البعض. إذا كنت تستخدم الجرافين للتواصل مع الجرافين، فإنه يتجنب العديد من التأثيرات غير المرغوب فيها عند ربط الجرافين بمواد أخرى.

في الوقت الحالي، يواصل الفريق استكشاف الجرافين متعدد الطبقات لحالات إلكترونية نادرة أخرى.

ويقول: “إننا نستكشف العديد من الأفكار والتطبيقات الأساسية في الفيزياء”. “نحن نعلم أنه سيكون هناك المزيد في المستقبل.”

المرجع: “تأثير هول الشاذ الكمي الجزئي في الجرافين متعدد الطبقات” بقلم Zhengguang Lu، Tonghang Han، Yuxuan Yao، Aidan P. Reddy، Jixiang Yang، Junseok Seo، Kenji Watanabe، Takashi Taniguchi، Liang Fu and Long Ju، 21 فبراير 2024، طبيعة.
دوى: 10.1038/s41586-023-07010-7

يتم دعم هذا البحث جزئيًا من قبل مؤسسة سلون والمؤسسة الوطنية للعلوم.