По данным исследования, в графене электроны превращаются в частицы самих себя

До сих пор ученым удавалось наблюдать явление «дробного заряда» только при воздействии на систему сильных магнитных полей. В недавнем исследовании ученым удалось сделать это с помощью нового подхода, основанного на использовании графена. Полученные результаты являются значительным шагом на пути к созданию топологических квантовых компьютеров.

Дробный заряд, также известный как дробный квантовый эффект Холла, возникает, когда электроны разделяются на равные доли самих себя. В таком состоянии они перестают действовать независимо и вместо этого принимают коллективное поведение. Традиционно этот эффект наблюдался под воздействием чрезвычайно мощных магнитных полей. Например, в 1980-х годах для наблюдения этого явления ученые применяли магнитные поля в десять раз более интенсивные, чем те, что возникают при использовании аппарата МРТ. Это достижение принесло им Нобелевскую премию.

Однако недавнее исследование физиков из Массачусетского технологического института показало, что при определенных условиях поведение дробного заряда может происходить и без присутствия магнитного поля. Для достижения этого результата они использовали графен — материал, который ранее не рассматривался для подобного применения.

По словам исследователей, этот метод гораздо проще, чем те, что применялись до сих пор. Другое его преимущество заключается в том, что он может помочь решить давнюю проблему в квантовых вычислениях. Подробности опубликованы в журнале Nature.

Графен и нитрид бора

Графен, получаемый из графита, представляет собой двумерный слой атомов углерода, расположенных в гексагональной структуре. Именно в августе 2023 года команда Массачусетского технологического института впервые исследовала потенциал этого материала для создания дробного квантового эффекта Холла. Исследователи построили свою систему, уложив пять слоев графена, каждый из которых был немного смещен относительно предыдущего (как лестница). Затем они включили в эту конфигурацию гексагональный нитрид бора (hBN), чтобы сформировать то, что они называют «муаровой сверхрешеткой».

К этой гибридной системе были подключены электроды, чтобы можно было подать электрический ток и измерить напряжение. Вся система была помещена в холодильник для достижения температуры, близкой к абсолютному нулю. Подав электрический ток на графен и проанализировав генерируемое напряжение, команда смогла подтвердить возникновение дробного квантового эффекта Холла.

По мнению исследователей, этот метод может быть применен для топологических квантовых вычислений. Топология — это раздел математики, изучающий свойства, которые остаются неизменными даже при растяжении или деформации объекта.

Этот тип квантовых вычислений особенно известен своей надежностью, высокой устойчивостью к ошибкам и способностью выполнять сложные вычисления. Несмотря на значительный потенциал, эта технология все еще сталкивается с множеством проблем, одну из которых, возможно, удастся преодолеть благодаря работе команды Массачусетского технологического института.

Чтобы лучше понять это, нужно вспомнить, что в топологических квантовых вычислениях расчеты предполагают одновременное использование дробного квантового эффекта Холла и сверхпроводника. Однако очень интенсивные магнитные поля могут нарушить сверхпроводимость. Поэтому метод, разработанный командой Массачусетского технологического института, может обеспечить повышенную защиту для кубитов, представленных здесь дробными зарядами.