Der er et tilsyneladende uendeligt antal kvantetilstande, der beskriver kvantesmateriale og de mærkelige fænomener, der opstår, når et stort antal elektroner interagerer. I årtier har mange af disse stater været teoretiske: matematiske og beregningsmæssige forudsigelser, der potentielt gemmer sig blandt materialer i det virkelige liv-en zoologisk have, da mange forskere kommer til at henvise til det, med nye “arter” Bare venter på at blive opdaget og beskrevet.
I en ny undersøgelse offentliggjort den 3. april i Natur, Forskere føjede over et dusin stater til den voksende kvante zoologiske have.
“Nogle af disse stater er aldrig blevet set før,” Sagde hovedforfatter Xiaoyang Zhu, Howard -familiens professor i nanovidenskab i Columbia. “Og vi forventede heller ikke at se så mange.”
Blandt dem er stater, der kunne bruges til at skabe det, der er kendt, teoretisk i øjeblikket som en topologisk kvantecomputer. Topologiske kvantecomputere vil have unikke kvanteegenskaber, der skal gøre dem mindre tilbøjelige til de fejl, der hindrer kvantecomputere, som i øjeblikket er bygget med superledende materialer.
Men superledende materialer forstyrres af magneter, som indtil nu er blevet brugt i forsøg på at skabe de topologiske tilstande, der er nødvendige for dette (stadig urealiserede) næste generation af kvantecomputere. Zhu’s Zoo løser dette problem: De stater, som han og hans team opdagede, kan alle oprettes uden en ekstern magnet takket være de specielle egenskaber ved et materiale kaldet Twisted Molybdenum Ditellurid.
Fra hallen i kvantehistorien
Det fænomen, der ligger til grund for nogle af de nye stater, som Zhu og hans team afslørede, kunne relateres til Hall -effekten. Den klassiske halleffekt, der blev opdaget i 1879, beskriver, hvordan elektroner, der flyder gennem en strimmel metalbunke op langs dens kant, når den udsættes for et magnetfelt; Jo stærkere magneten er, jo stærkere er forskellen i spænding på tværs af metallet.
Når elektroner udsættes for et magnetfelt ved ultracoldtemperaturer og i kun to dimensioner, hvor virkningerne af kvantemekanik let observeres, er ændringen i spænding ikke længere proportional med magnetfeltet; i stedet for en lineær stigning, bliver det “kvantiseret” og hopper i trin, der er relateret til ladningen af en elektron – en partikel med den mindste kendte ladning.
Disse kvantetrin kan opdeles i endnu mindre, danner tilstande med ladninger, der er fraktioner af det fra et elektron: -½, -⅔, -⅓, og så videre; Til denne observation delte Columbia -professor emeritus Horst Stormer Nobelprisen i fysik i 1998.
Denne “fraktioneret kvantehalleffekt” er et modintuitivt spændt kvantemekanik, forklarede Stormer i sit Nobelforedrag: “Det indebærer, at mange elektroner, der handler sammen, kan skabe nye partikler, der har en ladning, der er mindre end gebyret for enhver individuel elektron. Det er ikke sådan, tingene skal være…. Og alligevel ved vi med sikkerhed, at ingen af disse elektroner er opdelt i stykker.”
Forskere har jagtet efter den fraktionerede kvantehalseffekt i årtier, og det har vist sig i en række forskellige materialer. Et stort skridt fremad fandt sted i 2023, da Xiaodong Xu, en fysiker ved University of Washington og medlem af Columbia’s Department of Energy Energy Frontier Research Center om programmerbare kvantematerialer (Proqm), opdagede en anomalisk-AKA, magnetfri-fraktioneret kvantemønstereffekt i lag af molybdenditellurid, der var blevet snoet til form, der er kendt som en moiré mønstermønster. XUs opdagelse blev støttet af eksperimenter ved Cornell og af resultater fra Shanghai Jiao Tong University.
Xu’s arbejde, ledet af hans ph.d. Studerende Jiaqi Cai og Heonjeoon Park og offentliggjort i to papirer også i Naturafslørede to eftertragtede fraktionerede kvanteanomale hall (FQAH) -stater, forklarede Zhu. Der var flere der kom.
Hemmeligheden? Det er a-moiré …
De materialer, som ProQM-teamet har arbejdet med, og at de ofte undersøger med, er moiré-materialer, atom-tynde lag, der består af forskellige elementer, der er snoede, nogensinde så lidt i forhold til hinanden. Resultatet er et bikagemønster med egenskaber, der ikke findes i enkeltlag eller de bulkkrystaller, hvorfra lagene er skrællet.
Når lag af molybdæn ditellurid er snoede, bliver de topologiske. Det betyder, at deres elektroner afholdes især arrangementer, der tilskynder dem til at deltage i den større helhed, der til gengæld og modstridende kan nedbrydes i fraktionerede kvantehall -anklager. Drejningen giver også et internt magnetfelt – hvilket ligger behovet for en ekstern magnet.
Lige sidste sommer opnåede Yiping Wang, Max-Planck NYC Center postdoktor i Columbia og hovedforfatter på det aktuelle papir, en prøve fra XU’s laboratorium. Zhu rejste, da hun besluttede at køre nogle eksperimenter på det med en pumpe-sonde-spektroskopiteknik udviklet af medforfatter og Simons kollega Eric Arsenault. Hendes skærm lyser op med toppe, svarende til snesevis af fraktionelle ladninger-inklusive ved fraktioner, der teoretisk er forudsagt at være de komponenter, der er nødvendige for at bygge en topologisk kvantecomputer: såkaldte ikke-abeliske anyons.
I deres pumpe-sonde-tilgang er en laserpuls “smelter” Kvantetilstandene i materialet og derefter detekterer en anden ændring i dielektrisk konstant, et mål for styrken af elektriske interaktioner, når staterne dukker op igen. Arsenaults metode bruger en ekstremt hurtig laser, der er i stand til at drille den subtile forskel i så mange fraktionerede energiniveauer. “Denne opdagelse etablerer også pumpe-sonde-spektroskopi som hidtil den mest følsomme teknik til at detektere kvantetilstande,” sagde Zhu.
Ud over at opdage staterne i deres laveste eller jord, energi, fanger det også detaljer, når de ændrer sig. “Det føles som om vi er gået ind i ny dimension, tid, til at udforske korrelation og topologi i jordtilstanden,” sagde Wang. “De holder bare overraskende os, især når vi skubber dem ud af ligevægt.”
Nu er det tid til at finde ud af, hvad alle disse nye stater er, og hvad de kunne være mest nyttige til. “Der er lige så mange. Vi håber, at disse resultater og vores teknik inspirerer andre til at udforske,” sagde Zhu.
Det er faktisk en zoologisk have derude.