MIT による新たなグラフェンのブレークスルーが量子コンピューティングの未来を形作る

部分量子ホール効果は一般に非常に高い磁場下で観察されてきましたが、MIT の物理学者は今回、単純なグラフェンでそれを観察しました。 グラフェン/六方晶窒化ホウ素 (hBN) の 5 層超格子では、電子 (青いボール) が互いに強く相互作用し、あたかも分数電荷に分割されたかのように動作します。 クレジット: サンプソン・ウィルコックス、RLE

奇妙な電子状態に気づいた マサチューセッツ工科大学 物理学者は、より強力な形式を可能にすることができます… 定量的統計。

電子は単一の負の電荷を運ぶため、電気の基本単位です。 これは私たちが高校の物理で習ったことであり、自然界のほとんどの科目に圧倒的に当てはまります。

しかし、物質の非常に特殊な状態では、電子は全体の一部に分裂することがあります。 「部分電荷」として知られるこの現象は非常にまれであり、これをトラップして制御することができれば、エキゾチックな電子状態は柔軟でフォールトトレラントな量子コンピューターの構築に役立つ可能性があります。

これまで、物理学者に「分数量子ホール効果」として知られるこの効果は、主に非常に高い磁場が注意深く維持された状態で何度も観察されてきました。 科学者たちは、それほど強力な磁気操作を必要としない材料での効果を発見したのはつい最近のことです。

さて、MIT の物理学者は、今回はより単純な材料、つまり 5 つの層で、捉えどころのない部分電荷効果を観察しました。 グラフェン – それ トウモロコシ– 炭素の薄い層はグラファイトと普通の鉛から生じます。 彼らは研究結果を2月21日の雑誌で報告した。 自然。

チーム写真。 左から右へ：Long Ju、博士研究員 Zhengguang Lu、客員学部生 Yuxuan Yao、大学院生 Tonghang Huang。 クレジット: Jixiang Yang

彼らは、5枚のグラフェンシートをはしごの横木のように積み重ねると、その結果得られる構造が本質的に、外部磁場を必要とせずに電子が全体の電荷の一部として通過するための適切な条件を提供することを発見した。

この結果は、物理学者がこの効果を示すとは予想していなかった結晶グラフェンにおける「部分量​​子異常ホール効果」（「異常」とは磁場の欠如を意味する）の最初の証拠である。

「この 5 層グラフェンは、多くの良い驚きが起こる材料システムです」と、研究著者で MIT 物理学の助教授である Long Ju 氏は言います。 「分数電荷は非常に奇妙であり、今では磁場を使わずに、より単純なシステムを使用してこの効果を達成できます。これ自体が基礎物理学にとって重要です。これにより、より堅牢な量子コンピューティングの可能性が開かれる可能性があります」妨害に対して。」

MIT の共著者には、筆頭著者の Zhengguang Lu、Tonghang Han、Yuxuan Yao、Aidan Reddy、Jixiang Yang、Junseok Seo、Liang Fu のほか、日本の物質・材料研究機構の渡辺賢治氏と谷口隆氏が含まれます。

奇妙な国

部分量子ホール効果は、粒子が個々の単位としての動作から全体として一緒に動作するように切り替わるときに発生する可能性のある奇妙な現象の一例です。 この集合的な「コヒーレントな」挙動は特殊な場合に現れます。たとえば、電子が通常の猛烈な速度から、分子が相互に感知して相互作用できる速度に減速されるときです。 これらの相互作用により、電子電荷の型破りな分裂など、まれな電子状態が生成されることがあります。

1982 年、科学者たちはガリウムヒ素ヘテロ構造における部分量子ホール効果を発見しました。この効果では、二次元平面に閉じ込められた電子のガスが高磁場下に保持されます。 この発見は後にグループのノーベル物理学賞受賞につながりました。

」[The discovery] 「これは非常に大きな問題でした。分数電荷のようなものを与える方法でのこれらの電荷ユニットの相互作用は非常に奇妙だったからです」とジョーは言います。 「当時は理論的な予測はなく、実験は皆を驚かせました。」

これらの研究者は、磁場を使用して材料の電子を相互作用できる程度に減速することで、先駆的な成果を達成しました。 彼らが扱った磁場は、通常 MRI 装置に電力を供給する磁場よりも約 10 倍強力でした。

2023 年 8 月に、科学者たちは ワシントン大学 彼は、磁場のない部分電荷が存在するという最初の証拠を報告しました。 彼らは、この効果の「異常な」バージョンを、二テルル化モリブデンと呼ばれるねじれた半導体で観察しました。 研究グループは、特定の構成を備えた材料を準備した。理論家らは、この材料に、外部の磁気制御なしで電子の分離を促すのに十分な固有の磁場を与えると予測した。

「磁石なし」という結果は、トポロジカル量子コンピューティングへの有望な道を開きました。トポロジカル量子コンピューティングは、より安全な形式の量子コンピューティングであり、トポロジの追加コンポーネント (歪みや弱い外乱に直面しても変化しない特性) が量子ビットに追加の保護を提供します。計算を実行するとき。 この計算スキームは、部分量子ホール効果と超伝導の組み合わせに基づいています。 これを理解することはほとんど不可能でした。部分的に電荷を得るには強い磁場が必要ですが、同じ磁場では通常超伝導体が死んでしまいます。 この場合、分数電荷は量子ビット (量子コンピューターの基本単位) になります。

ステップを踏む

同月、Gu氏と彼のチームは、そのような効果を示すとは予想されていなかった材料であるグラフェンの異常な部分電荷の兆候にも偶然気づいた。

Gu氏のグループはグラフェンの電子的挙動を研究しており、それ自体が優れた特性を示している。 最近、Gu 氏のグループは、はしごの横木のように、それぞれが他のシートからわずかに離れて積み重ねられた 5 枚のグラフェン シートで構成される構造である五層グラフェンを研究しました。 この五角形のグラフェン構造はグラファイトに埋め込まれており、セロハンテープで剥離することで得られます。 非常に低い温度の冷凍庫に入れると、構造の電子がゆっくりと速度を落とし、高温で動き回るときには通常は起こらないような反応をします。

研究者らは新しい研究でいくつかの計算を実行し、五角形の層構造が六方晶系窒化ホウ素（hBN）（グラフェンと同様の原子構造を持つ材料）と整列している場合、電子がより強く相互作用する可能性があることを発見した。わずかに異なる寸法で。 2 つの材料を組み合わせると、磁場を模倣した方法で電子の動きを遅くできる複雑な足場のような原子構造である超格子が生成されるはずです。

「これらの計算を行った後、『やってみよう』と考えたのです」とジョーは言う。彼は昨年の夏、偶然にもMITの研究室に新しい希釈冷蔵庫を設置しており、チームは材料を極低温まで冷却するためにそれを使用する予定だった。気温。 電子的な動作。

研究者らは、最初にグラファイトのブロックからグラフェンの層を剥がし、次に光学ツールを使用して段階的な構成の5層のフレークを識別することにより、ハイブリッドグラフェン構造の2つのサンプルを作製した。 次に、グラフェン ウェーハを hBN ウェーハ上にスタンプし、グラフェン構造の上に 2 番目の hBN ウェーハを配置しました。 最後に、構造物に電極を取り付けて冷凍庫に置き、その後、すぐ近くに置きました。 絶対零度。

材料に電流を流して電圧出力を測定すると、電圧が電流に分数といくつかの基本的な物理定数を掛けたものに等しい、分数電荷の兆候が見え始めました。

「彼を見た日、最初は彼だと分かりませんでした」と筆頭著者のルーは言う。 「その後、これが本当に重大な問題であることに気づき、私たちは叫び始めました。それは完全に驚くべき瞬間でした。」

「これらはおそらく、新しい冷蔵庫に入れた最初の本格的なサンプルでした」と共筆著者のハーン氏は付け加えた。 落ち着いてから、私たちが見ているものが本物であることを確認するために詳細を調べました。」

研究チームはさらなる分析により、グラフェン構造が実際に部分的な量子異常ホール効果を示していることを確認した。 この効果がグラフェンで示されたのはこれが初めてです。

「グラフェンは超伝導体である可能性もあります」と Gu 氏は言います。 「つまり、同じ材料で 2 つのまったく異なる効果を隣り合わせることができます。グラフェンを使用してグラフェンと対話すると、グラフェンを他の材料に結合するときに発生する多くの望ましくない効果が回避されます。」

現在、チームは他のまれな電子状態について多層グラフェンの研究を続けています。

「私たちは、多くの基本的な物理学のアイデアや応用を探求します」と彼は言います。 「今後さらに多くのことが起こることを私たちは知っています。」

参考文献：「多層グラフェンにおける部分量子異常ホール効果」Zhengguang Lu、Tonghang Han、Yuxuan Yao、Aidan P. Reddy、Jixiang Yang、Junseok Seo、Kenji渡辺、Takashi Taniguchi、Liang Fu、Long Ju著、2024年2月21日、 自然。
土井: 10.1038/s41586-023-07010-7

この研究は、スローン財団と国立科学財団によって一部支援されています。