اختراق الجرافين الجديد من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا يشكل مستقبل الحوسبة الكمومية

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 تعلمناه في الفيزياء في المدرسة الثانوية، وهذا هو الحال بأغلبية ساحقة في معظم المواد في الطبيعة.

لكن في حالات المادة الخاصة جدًا، يمكن للإلكترونات أن تنقسم إلى أجزاء من مجموعها بالكامل. هذه الظاهرة، المعروفة باسم “الشحنة الجزئية”، نادرة للغاية، وإذا أمكن محاصرةها والتحكم فيها، 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”، عدة مرات، وفي الغالب تحت مجالات مغناطيسية عالية جدًا ومُصانة بعناية. في الآونة الأخيرة فقط، اكتشف العلماء 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 – ان ذرة– طبقة رقيقة من الكربون تنبع من الجرافيت والرصاص العادي. وقد أبلغوا عن نتائجهم في 21 فبراير في المجلة طبيعة.

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

ووجدوا أنه عندما يتم تكديس خمس أوراق من الجرافين مثل درجات السلم، فإن البنية الناتجة توفر بطبيعتها الظروف المناسبة لتمرير الإلكترونات كأجزاء من شحنتها الإجمالية، دون الحاجة إلى أي 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 الشحنة الكسرية غريبة جدًا، والآن يمكننا تحقيق هذا التأثير باستخدام نظام أبسط بكثير وبدون مجال مغناطيسي. وهذا في حد ذاته مهم للفيزياء الأساسية. ويمكن أن يتيح إمكانية وجود نوع من الحوسبة الكمومية أكثر قوة ضد الاضطراب.

المؤلفون المشاركون في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا هم المؤلف الرئيسي Zhengguang Lu، وTonghang Han، وYuxuan Yao، وAidan Reddy، وJixiang Yang، وJunseok Seo، وLiang Fu، إلى جانب كينجي واتانابي وتاكاشي تانيجوتشي في المعهد الوطني لعلوم المواد في اليابان.

دولة غريبة

يعد تأثير هول الكمي الجزئي مثالًا على الظواهر الغريبة التي يمكن أن تنشأ عندما تتحول الجسيمات من التصرف كوحدات فردية إلى التصرف معًا ككل. يظهر هذا السلوك “المترابط” الجماعي في حالات خاصة، على سبيل المثال عندما يتم إبطاء الإلكترونات من سرعتها المحمومة عادة إلى الزحف الذي يمكّن الجزيئات من استشعار 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 من الإلكترونات المحصور في مستوى ثنائي الأبعاد تحت مجالات مغناطيسية عالية. وقد 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 نتائجهم الرائدة باستخدام المجالات المغناطيسية لإبطاء إلكترونات المادة بما يكفي لتفاعلها. وكانت المجالات التي عملوا بها أقوى بحوالي 10 مرات من تلك التي تعمل عادةً على تشغيل جهاز التصوير بالرنين المغناطيسي.

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

فتحت نتيجة “عدم وجود مغناطيس” طريقًا واعدًا للحوسبة الكمومية الطوبولوجية – وهو شكل أكثر أمانًا من الحوسبة الكمومية، حيث يوفر المكون الإضافي للطوبولوجيا (خاصية تظل دون تغيير في مواجهة التشوه أو الاضطراب الضعيف) حماية إضافية للكيوبت عند إجراء عملية حسابية. يعتمد مخطط الحساب هذا على مزيج من تأثير هول الكمي الجزئي والموصل الفائق. لقد كان من المستحيل تقريبًا إدراك ذلك: يحتاج المرء إلى مجال مغناطيسي قوي للحصول على شحنة جزئية، في حين أن نفس المجال المغناطيسي عادة ما يقتل الموصل الفائق. في هذه الحالة، ستكون الشحنات الكسرية بمثابة الكيوبت (الوحدة الأساسية للكمبيوتر الكمي).

صنع الخطوات

وفي الشهر نفسه، صادف أن جو وفريقه لاحظوا أيضًا علامات وجود شحنة جزئية شاذة في الجرافين، وهي مادة لم تكن هناك توقعات لإظهار مثل هذا التأثير لها.

كانت مجموعة جو تستكشف السلوك الإلكتروني في الجرافين، والذي أظهر في حد ذاته خصائص استثنائية. في الآونة الأخيرة، بحثت مجموعة جو في الجرافين الخماسي الطبقات، وهو هيكل مكون من خمس صفائح جرافين، كل منها مكدسة قليلاً عن الأخرى، مثل درجات السلم. تم تضمين هيكل الجرافين الخماسي هذا في الجرافيت ويمكن الحصول عليه عن طريق التقشير باستخدام شريط سكوتش. عند وضعها في الثلاجة في درجات حرارة شديدة البرودة، تتباطأ إلكترونات الهيكل حتى تزحف وتتفاعل بطرق لا تفعلها عادة عند التجول في درجات حرارة أعلى.

في عملهم الجديد، أجرى الباحثون بعض الحسابات ووجدوا أن الإلكترونات قد تتفاعل مع بعضها البعض بقوة أكبر إذا تم محاذاة بنية الطبقة الخماسية مع نيتريد البورون السداسي (hBN) – وهي مادة لها بنية ذرية مماثلة لتركيب الجرافين، ولكن بأبعاد مختلفة قليلاً. مجتمعة، ينبغي أن تنتج المادتان شبكة فائقة التموج، وهي بنية ذرية معقدة تشبه السقالة، يمكنها إبطاء حركة الإلكترونات بطرق تحاكي المجال المغناطيسي.

يقول جو، الذي صادف أنه قام بتركيب ثلاجة تخفيف جديدة في مختبره بمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا الصيف الماضي، والتي خطط الفريق لاستخدامها لتبريد المواد إلى درجات حرارة منخفضة للغاية، “لقد أجرينا هذه الحسابات، ثم فكرنا، فلنفعل ذلك”. السلوك الإلكتروني.

قام الباحثون بتصنيع عينتين من بنية الجرافين الهجين عن طريق تقشير طبقات الجرافين أولاً من كتلة من الجرافيت، ثم استخدام الأدوات البصرية لتحديد الرقائق ذات الخمس طبقات في التكوين المتدرج. ثم قاموا بختم رقاقة الجرافين على شريحة hBN ووضعوا رقاقة hBN ثانية فوق بنية الجرافين. وأخيرًا، قاموا بتوصيل أقطاب كهربائية بالهيكل ووضعوه في الثلاجة، ثم وضعوه على مقربة الصفر المطلق.

عندما طبقوا تيارًا على المادة وقاسوا خرج الجهد، بدأوا في رؤية بصمات الشحنة الكسرية، 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 أن هذا كان أمرًا كبيرًا حقًا. لقد كانت لحظة مفاجئة تمامًا”.

ويضيف المؤلف الأول المشارك هان: “ربما كانت هذه العينات الجادة الأولى التي نضعها في الثلاجة الجديدة”. وبمجرد أن هدأنا، بحثنا في التفاصيل للتأكد من أن ما نراه كان حقيقيا”.

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

يقول جو: “يمكن أن يكون الجرافين أيضًا موصلًا فائقًا”. “لذا، يمكن أن يكون لديك تأثيران مختلفان تمامًا في نفس المادة، بجوار بعضهما البعض. إذا كنت تستخدم الجرافين للتحدث مع الجرافين، فهذا يتجنب الكثير من التأثيرات غير المرغوب فيها عند ربط الجرافين بمواد أخرى.

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

يقول: “نحن نغوص لاستكشاف العديد من الأفكار والتطبيقات الفيزيائية الأساسية”. “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.