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 أنها تنقسم إلى شحنات جزئية. الائتمان: سامبسون ويلكوكس، RLE

وقد لوحظت حالة إلكترونية غريبة مع يمكن للفيزيائيين تنفيذ أنماط أقوى الاحصاء الكمية.

الإلكترون هو الوحدة الأساسية للكهرباء لأنه يحمل شحنة سالبة. وهذا ما نتعلمه في الفيزياء في الثانوية العامة، وهو سائد في أغلب الأشياء في الطبيعة.

لكن في حالات المادة الخاصة جدًا، يمكن للإلكترونات أن تنقسم إلى أجزاء من مجملها. هذه الظاهرة، التي تسمى “الشحنة الجزئية”، نادرة للغاية، وإذا أمكن تسخيرها والتحكم فيها، فإن الحالة الإلكترونية الغريبة يمكن أن تساعد في إنشاء أجهزة كمبيوتر كمومية مرنة ومتسامحة مع الأخطاء.

حتى الآن، هذا التأثير، المعروف لدى الفيزيائيين باسم “تأثير هول الكمي الجزئي”، لم تتم ملاحظته إلا عدة مرات، وفي الغالب تحت مجالات مغناطيسية عالية جدًا، تمت صيانتها بعناية. وقد لاحظ العلماء مؤخرًا تأثير 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. الجرافين – أ ذرةطبقة رقيقة من الكربون تتكون من الجرافيت والرصاص العادي. وقد أبلغوا عن نتائجهم في المجلة في 21 فبراير طبيعة.

صورة الفريق. من اليسار إلى اليمين: Long Zhu، باحث ما بعد الدكتوراه Zhengguang Lu، الطالب الجامعي الزائر Yuxuan Yao، طالب الدراسات العليا Donggang Hong. الائتمان: Zixiang يانغ

عندما يتم تكديس خمس أوراق من الجرافين مثل درجات السلم، فإن البنية الناتجة لا تتطلب مجالًا مغناطيسيًا خارجيًا للسماح للإلكترونات بالتدفق كأجزاء من شحنتها الإجمالية.

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

يقول مؤلف الدراسة لونغ تشو، الأستاذ المساعد في الفيزياء في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا: “إن هذا الجرافين المكون من خمس طبقات هو هيكل مادي تحدث فيه العديد من المفاجآت السارة”. “الشحنة الكسرية جذابة للغاية، والآن يمكن تحقيق هذا التأثير باستخدام نظام بسيط للغاية وبدون مجال مغناطيسي. وهذا مهم للفيزياء الأساسية. وسيتيح إمكانية وجود نوع من الحوسبة الكمومية، وهو قوي جدًا ضد اضطراب.

المؤلفون المشاركون في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا Zhengguang Lu، وDonggang Han، وYuxuan Yao، وAidan Reddy، وZhixiang Yang، وJunxiok Xiao، وLiang Fu هم المؤلفون الرئيسيون إلى جانب كينجي واتانابي وتاكاشي تانيجوتشي في المعهد الوطني لعلوم المواد في اليابان.

حالة غريبة

يعد تأثير هول الكمي الجزئي مثالًا لظاهرة مختلفة يمكن أن تنشأ عندما تتحرك الجسيمات من العمل كوحدات فردية إلى العمل معًا ككل. يتجلى هذا السلوك “الترابطي” الجماعي في مواقف خاصة، على سبيل المثال عندما تنحرف الإلكترونات عن سرعتها الجنونية الطبيعية لتمكين الجسيمات من الإحساس والتواصل مع بعضها البعض. يمكن لهذه التفاعلات أن تخلق حالات إلكترونية نادرة مثل الانقسام غير المعتاد لشحنة الإلكترون.

في عام 1982، اكتشف العلماء تأثير هول الكمي الجزئي في الهياكل المتغايرة لزرنيخيد الغاليوم، حيث يتم الاحتفاظ بغاز الإلكترونات المحصور في مستوى ثنائي الأبعاد تحت مجالات مغناطيسية عالية. وقد حصل هذا الاكتشاف لاحقًا على جائزة نوبل في الفيزياء.

“[The discovery] يقول تشو: “كان هذا أمرًا كبيرًا لأنه كان من الغريب جدًا أن تتفاعل وحدات الشحن هذه لتعطي شيئًا مثل الشحنة الكسرية. في ذلك الوقت، لم تكن هناك تنبؤات نظرية، وقد فاجأت التجارب الجميع”.

حقق هؤلاء الباحثون نتائجهم الرائدة باستخدام المجالات المغناطيسية لإبطاء إلكترونات المادة بدرجة كافية حتى تتفاعل. وكانت المجالات التي عملوا فيها أقوى بعشر مرات من تلك التي تشغل جهاز التصوير بالرنين المغناطيسي.

في أغسطس 2023، العلماء جامعة واشنطن تم الإبلاغ عن أول دليل على الشحنة الجزئية بدون مجال مغناطيسي. وقد لاحظوا نسخة من هذا التأثير “العكسي” في شبه موصل ملتوي يسمى ثنائي تلورايد الموليبدينوم. قام الفريق بإعداد المادة بتكوين محدد يتوقع المنظرون أنه سيعطي المادة مجالًا مغناطيسيًا جوهريًا، يكفي لتجزئة الإلكترونات دون قيود مغناطيسية خارجية.

فتحت نتيجة “عدم وجود مغناطيس” طريقًا واعدًا للحوسبة الكمومية الطوبولوجية – وهو شكل آمن للغاية من الحوسبة الكمومية حيث يوفر المكون الإضافي للطوبولوجيا (خاصية تظل دون تغيير على الرغم من التشوه أو الاضطراب الضعيف) الكيوبت مع أمان إضافي. عند إجراء الحساب. يعتمد هذا المخطط الحسابي على مزيج من تأثير هول الكمي الجزئي والموصل الفائق. يكاد يكون من المستحيل إدراك ذلك: يحتاج المرء إلى مجال مغناطيسي قوي للحصول على شحنة جزئية، وهو نفس المجال المغناطيسي الذي عادة ما يقتل الموصل الفائق. في هذه الحالة، تعمل الشحنات الجزئية بمثابة الكيوبت (الوحدة الأساسية للكمبيوتر الكمي).

خطوات إنشاء

وفي الشهر نفسه، لاحظ تشو وفريقه أيضًا علامات على وجود شحنة جزئية شاذة في الجرافين، وهو تأثير لم تتنبأ به أي توقعات حتى الآن.

كان فريق تشو يدرس السلوك الإلكتروني في الجرافين، الذي أظهر خصائص استثنائية. وفي الآونة الأخيرة، نظر فريق Zoo إلى الجرافين الخماسي الطبقات، وهو هيكل مكون من خمس صفائح جرافين، كل منها متباعدة قليلًا عن الأخرى، مثل درجات السلم. يتم تضمين هيكل الجرافين الخماسي هذا في الجرافيت ويمكن الحصول عليه عن طريق التقشير باستخدام شريط سكوتش. عند تبريدها في درجات حرارة شديدة البرودة، تزحف إلكترونات الهيكل ببطء إلى الخارج وتتفاعل بطرق لا تفعلها عادةً عند التجول في درجات حرارة أعلى.

في عملهم الجديد، أجرى الباحثون بعض الحسابات ووجدوا أن الإلكترونات يمكن أن تتفاعل بقوة مع بعضها البعض إذا كان هيكل الطبقة الخماسية متوافقًا مع نيتريد البورون السداسي (hBN) – وهي مادة مشابهة للتركيب الذري للجرافين، ولكن بأبعاد مختلفة قليلاً. ينبغي أن تشكل المادتان معًا شبكة تموج فائقة، وهي بنية معقدة من الذرات تشبه السقالة، تعمل على إبطاء الإلكترونات بطرق تحاكي المجال المغناطيسي.

يقول تشو، الذي قام في الصيف الماضي بتركيب ثلاجة تخفيف جديدة في مختبره بمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، والتي يخطط الفريق لاستخدامها لتبريد الأجسام إلى درجات حرارة منخفضة للغاية، باستخدام مجسات غريبة: “لقد أجرينا هذه الحسابات ثم فكرنا فيها”. السلوك الإلكتروني.

أنشأ الباحثون نموذجين لبنية الجرافين الهجين عن طريق بثق طبقات الجرافين أولاً من كتلة من الجرافيت، ثم استخدام الأدوات البصرية لتحديد الرقائق ذات الخمس طبقات في تكوين يشبه الخطوة. ثم قاموا بختم رقائق الجرافين على شريحة hBN ووضعوا شريحة hBN ثانية فوق هيكل الجرافين. وأخيراً، قاموا بتوصيل أقطاب كهربائية بالهيكل ووضعوه في الثلاجة الصفر المطلق.

عندما طبقوا تيارًا على المادة وقاموا بقياس خرج الجهد، بدأوا في رؤية بصمات الشحنة الكسرية، حيث يتم ضرب الجهد بعدد كسري يساوي التيار بالإضافة إلى بعض الثوابت الفيزيائية الأساسية.

يقول المؤلف الأول لو: “في اليوم الذي رأيناه فيه، لم نتعرف عليه في البداية”. “ثم بدأنا بالصراخ، كان الأمر كبيرًا حقًا. لقد كانت لحظة مذهلة للغاية.”

يقول المؤلف الأول المشارك هان: “ربما تكون هذه هي العينات الجادة الأولى التي وضعناها في الثلاجة الجديدة”. “وبمجرد أن هدأنا، ألقينا نظرة فاحصة للتأكد من أن ما رأيناه كان حقيقيا”.

ومن خلال 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 تشو: “يمكن أن يكون الجرافين أيضًا موصلًا فائقًا”. “لذلك يمكن أن يكون لديك تأثيران مختلفان تمامًا على نفس المادة، بجوار بعضهما البعض. إذا كنت تستخدم الجرافين للتحدث مع الجرافين، فإنه يتجنب الكثير من التأثيرات غير المرغوب فيها عند دمج الجرافين مع مواد أخرى.

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

ويقول: “نحن نتعمق في استكشاف العديد من الأفكار والتطبيقات الفيزيائية الأساسية”. “نحن نعلم أن هناك المزيد في المستقبل.”

المرجع: Zhengguang Lu، Donghong Han، Yuxuan Yao، Aidan B. ريدي، زيشيانغ يانغ، جونسوك سيو، كينجي واتانابي، تاكاشي تانيجوتشي، ليانغ فو، ولونغ تشو، فبراير 2024، 2024 طبيعة.
دوى: 10.1038/s41586-023-07010-7

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