Une nouvelle avancée en matière de graphène du MIT façonne l'avenir de l'informatique quantique

Étrange état électronique remarqué Massachusetts Institute of Technology Les physiciens peuvent permettre des formes plus puissantes de… Statistiques quantitatives.

L’électron est l’unité de base de l’électricité, car il porte une seule charge négative. C’est ce que nous avons appris en physique au lycée, et c’est majoritairement le cas dans la plupart des matières liées à la nature.

Mais dans des états très particuliers de la matière, les électrons peuvent se diviser en parties de leur totalité. Ce phénomène, connu sous le nom de « charge partielle », est extrêmement rare, et s’il peut être piégé et contrôlé, l’état électronique exotique pourrait aider à construire des ordinateurs quantiques flexibles et tolérants aux pannes.

Jusqu’à présent, cet effet, connu des physiciens sous le nom d’« effet Hall quantique fractionnaire », a été observé à de nombreuses reprises, principalement sous des champs magnétiques très élevés et soigneusement entretenus. Ce n'est que récemment que les scientifiques ont découvert cet effet dans un matériau qui ne nécessite pas une manipulation magnétique aussi forte.

Aujourd'hui, des physiciens du MIT ont observé l'insaisissable effet de charge partielle, cette fois dans un matériau plus simple : cinq couches de… Graphène – que atome– Une fine couche de carbone provient du graphite et du plomb ordinaire. Ils ont rapporté leurs découvertes le 21 février dans la revue nature.

Photo d'équipe. De gauche à droite : Long Ju, chercheur postdoctoral Zhengguang Lu, étudiant de premier cycle en visite Yuxuan Yao, étudiant diplômé Tonghang Huang. Crédit : Jixiang Yang

Ils ont découvert que lorsque cinq feuilles de graphène sont empilées comme les barreaux d’une échelle, la structure résultante fournit intrinsèquement les bonnes conditions pour que les électrons puissent passer à travers leur charge globale, sans avoir besoin d’un champ magnétique externe.

Les résultats sont la première preuve d’un « effet Hall anormal quantique partiel » (« anormal » fait référence à l’absence de champ magnétique) dans le graphène cristallin, un matériau auquel les physiciens ne s’attendaient pas à présenter cet effet.

« Ce graphène à cinq couches est un système matériel dans lequel de nombreuses bonnes surprises se produisent », explique l'auteur de l'étude Long Ju, professeur adjoint de physique au MIT. « La charge fractionnaire est très étrange, et nous pouvons désormais obtenir cet effet en utilisant un système beaucoup plus simple et sans champ magnétique. Ceci en soi est important pour la physique fondamentale. Cela pourrait ouvrir la possibilité d'un type d'informatique quantique plus robuste. » contre les perturbations. »

Les co-auteurs du MIT incluent les auteurs principaux Zhengguang Lu, Tonghang Han, Yuxuan Yao, Aidan Reddy, Jixiang Yang, Junseok Seo et Liang Fu, ainsi que Kenji Watanabe et Takashi Taniguchi de l'Institut national des sciences des matériaux au Japon.

Pays étrange

L’effet Hall quantique partiel est un exemple des phénomènes étranges qui peuvent survenir lorsque des particules passent d’un comportement d’unités individuelles à un comportement ensemble comme un tout. Ce comportement collectif « cohérent » apparaît dans des cas particuliers, par exemple lorsque les électrons sont ralentis de leur vitesse normalement frénétique à une vitesse qui permet aux molécules de se détecter et d'interagir. Ces interactions peuvent produire des états électroniques rares, tels qu’une division non conventionnelle de la charge électronique.

En 1982, des scientifiques ont découvert l'effet Hall quantique partiel dans les hétérostructures d'arséniure de gallium, dans lesquelles un gaz d'électrons confiné dans un plan bidimensionnel est maintenu sous des champs magnétiques élevés. Cette découverte a ensuite valu au groupe de recevoir le prix Nobel de physique.

« [The discovery] « C'était un très gros problème, car l'interaction de ces unités de charge, qui donnait quelque chose comme une charge fractionnaire, était très étrange », explique Joe. « À cette époque, il n’existait aucune prédiction théorique et les expériences ont surpris tout le monde. »

Ces chercheurs ont obtenu leurs résultats novateurs en utilisant des champs magnétiques pour ralentir suffisamment les électrons d'un matériau pour qu'ils puissent interagir. Les champs avec lesquels ils ont travaillé étaient environ 10 fois plus puissants que ceux qui alimentent normalement un appareil IRM.

En août 2023, les scientifiques de Université de Washington Il a rapporté la première preuve de l'existence d'une charge partielle sans champ magnétique. Ils ont observé cette version « anormale » de l’effet, dans un semi-conducteur torsadé appelé ditellurure de molybdène. Le groupe a préparé le matériau avec une configuration spécifique qui, selon les théoriciens, donnerait au matériau un champ magnétique inhérent, suffisant pour encourager les électrons à se diviser sans aucun contrôle magnétique externe.

Le résultat « sans aimant » a ouvert une voie prometteuse vers l’informatique quantique topologique – une forme plus sûre d’informatique quantique, dans laquelle le composant supplémentaire de la topologie (une propriété qui reste inchangée face à une distorsion ou à une faible perturbation) offre une protection supplémentaire au qubit. lors de l'exécution d'un calcul. Ce schéma de calcul est basé sur une combinaison d’effet Hall quantique partiel et de supraconductivité. Il était presque impossible de s’en rendre compte : il faut un champ magnétique puissant pour obtenir une charge partielle, alors que le même champ magnétique tuerait généralement un supraconducteur. Dans ce cas, les charges fractionnaires seraient un qubit (l’unité de base d’un ordinateur quantique).

Faire des pas

Le même mois, Gu et son équipe ont également remarqué des signes d'une charge partielle anormale dans le graphène, un matériau qui ne devrait pas montrer un tel effet.

Le groupe de Gu a exploré le comportement électronique du graphène, qui lui-même a démontré des propriétés exceptionnelles. Récemment, le groupe de Gu a étudié le graphène pentacouche, une structure composée de cinq feuilles de graphène, chacune légèrement espacée les unes des autres, comme les barreaux d'une échelle. Cette structure de graphène pentagonale est noyée dans du graphite et peut être obtenue par exfoliation avec du scotch. Lorsqu'ils sont placés dans un congélateur à des températures très froides, les électrons de la structure ralentissent et réagissent d'une manière qu'ils ne feraient pas normalement lorsqu'ils se promenaient à des températures plus élevées.

Dans leurs nouveaux travaux, les chercheurs ont effectué quelques calculs et ont découvert que les électrons pourraient interagir plus fortement les uns avec les autres si la structure de la couche pentagonale était alignée avec du nitrure de bore hexagonal (hBN) – un matériau avec une structure atomique similaire à celle du graphène, mais avec des dimensions légèrement différentes. Combinés, les deux matériaux devraient produire un super-réseau, une structure atomique complexe ressemblant à un échafaudage, capable de ralentir le mouvement des électrons de manière à imiter un champ magnétique.

« Nous avons fait ces calculs, puis nous nous sommes dit : « Faisons-le » », explique Joe, qui a installé un nouveau réfrigérateur à dilution dans son laboratoire du MIT l'été dernier, que l'équipe prévoyait d'utiliser pour refroidir les matériaux à des températures extrêmement basses. températures. Comportement électronique.

Les chercheurs ont fabriqué deux échantillons de la structure hybride du graphène en décollant d’abord des couches de graphène d’un bloc de graphite, puis en utilisant des outils optiques pour identifier les flocons à cinq couches dans une configuration graduée. Ils ont ensuite estampé la plaquette de graphène sur une plaquette de hBN et ont placé une deuxième plaquette de hBN au-dessus de la structure de graphène. Enfin, ils ont attaché des électrodes à la structure et l'ont placée dans un congélateur, puis l'ont placée à proximité. Zéro absolu.

Lorsqu’ils ont appliqué un courant au matériau et mesuré la tension de sortie, ils ont commencé à voir les signatures d’une charge fractionnaire, où la tension est égale au courant multiplié par un nombre fractionnaire et certaines constantes physiques de base.

«Le jour où nous l'avons vu, nous ne l'avons pas reconnu au début», explique le premier auteur, Lu. « Puis nous avons commencé à crier quand nous avons réalisé que c'était vraiment un gros problème. C'était un moment complètement surprenant. »

« C'étaient probablement les premiers échantillons sérieux que nous avons mis dans le nouveau réfrigérateur », ajoute Hahn, co-premier auteur. Une fois calmés, nous avons examiné les détails pour nous assurer que ce que nous voyions était réel.

Avec une analyse plus approfondie, l’équipe a confirmé que la structure du graphène présentait effectivement un effet Hall anormal quantique partiel. C’est la première fois que cet effet est démontré dans le graphène.

« Le graphène pourrait également être un supraconducteur », explique Gu. « Ainsi, vous pouvez avoir deux effets complètement différents dans le même matériau, l'un à côté de l'autre. Si vous utilisez du graphène pour communiquer avec le graphène, cela évite de nombreux effets indésirables lorsque vous liez du graphène à d'autres matériaux. »

Actuellement, l’équipe continue d’explorer le graphène multicouche pour d’autres états électroniques rares.

«Nous explorons de nombreuses idées et applications fondamentales en physique», dit-il. « Nous savons qu'il y en aura d'autres à venir. »

Référence : « Effet Hall anormal quantique partiel dans le graphène multicouche » par Zhengguang Lu, Tonghang Han, Yuxuan Yao, Aidan P. Reddy, Jixiang Yang, Junseok Seo, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Liang Fu et Long Ju, 21 février 2024, nature.
est ce que je: 10.1038/s41586-023-07010-7

Cette recherche est soutenue en partie par la Fondation Sloan et la National Science Foundation.