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塔拉哈西,佛罗里达州。——领导的研究小组科里迪安,哥伦比亚大学物理系助理教授詹姆斯磨练,王Fong-Jen机械工程教授哥伦比亚大学工程,明确观察到一个强烈的异常在凝聚态物理研究even-denominator分数量子霍尔(FQH)状态——在双层石墨烯通过传输测量。的研究一直在网上发表科学(10月6日发行)。
“观察5/2状态在任何系统是一个重大的科学的机会,因为它包含了一些最令人费解的概念在现代凝聚态物理,如出现,准粒子的形成,量化,甚至超导,”院长说。“我们观察到,在双层石墨烯5/2状态生存比此前认为的更高的温度可能不仅让我们用新方法来研究这一现象,而且FQH状态的变化我们的观点很大程度上被科学好奇心现在实际应用潜力巨大,特别是在量子计算。”
在1980年代首次发现在砷化镓砷化镓异质结构,5/2分数量子状态仍否则严格规则的唯一例外说分数量子霍尔州只能存在与奇怪的分母。发现后不久,理论工作建议这个状态可以代表一种奇异的超导体,显著的部分等的可能性阶段能够从根本上量子计算的新方法。然而,确认这些理论仍然难以捉摸,很大程度上是由于脆弱的国家性质;在砷化镓可观察到的只有最高质量的样本甚至只出现在milikelvin室内(10000倍比水的冰点冷)。
哥伦比亚队现在已经观察到这个州双层石墨烯和出现在更高的温度下达到几个开尔文。“虽然它仍然比水的冰点冷100倍,看到even-denominator状态在这些温度了一整套全新的实验工具,以前是不可想象的,”院长说。“经过几十年的努力,世界各地的研究人员,我们可能最终会接近解决5/2的奥秘。”
研究的一个关键组件是获得高磁场可以在国家高磁场实验室在塔拉哈西,佛罗里达州。爱游戏体育是什么爱游戏提现客服、国家资爱游戏提现客服助的用户设备磨练和院长有广泛的合作。他们通过设备研究了电传导下34特斯拉的磁场,并取得明显的观察even-denominator状态。
”倾斜示例对磁场,我们能够提供新的确认这FQH状态预测的理论有很多的属性,如自旋极化的,”李贾说,论文的第一作者和博士后研究员与院长和磨练。“我们还发现,在双层石墨烯,这种状态可以操纵的方式不可能在传统材料。”
哥伦比亚大学团队的结果,这表明测量在运输证怎么内层电子流动至关重要的一步对确认的异国情调的起源甚至分母的状态。与类似的同时报道了他们的研究成果报告加州大学的研究小组,圣芭芭拉也进行了研究MagLab套轨迹的磁体。UCSB研究观察到即使分母状态由电容测量、探针的存在一个电气间隙与发病有关的状态。
的现代凝聚态物理领域的突出问题是理解的现象出现,“大量的量子粒子的行为的结果,由于粒子之间的相互作用和协同导致新特点不是各个部分的功能。例如,在超导体,大量的电子所有崩溃到一个量子态,然后传播通过金属没有任何能量损失。分数量子霍尔效应是另一种状态的电子相互勾结,在磁场的存在,导致内部可能出现奇异的量子特性。
很难预测理论上,出现经常挑战我们的基本粒子的行为的理解。例如,因为任何有相同的两个电子,我们认为电子是想互相排斥的对象。然而,在超导金属,电子竟配对,形成一个新的对象被称为一对库珀。单个电子散射穿过金属时,引起的阻力,但自发形成的库伯对集体行为以这样一种方式,他们穿过没有电阻的材料。
“想想试图让您的方式通过一群在一个摇滚音乐会,每个人都跳舞和大量的能量不断撞你,相比一个舞厅跳舞,对舞者都朝着同一,精心安排,彼此很容易避免,”院长说。”的原因之一,使even-denominator分数量子霍尔效应吸引人的是它的起源被认为是非常相似的超导体,但是,而不是简单地形成库伯对,一种全新的量子粒子出现。”
根据量子力学,基本粒子分为两类,费米子和玻色子,行为方式的不同。两个费米子,如电子,不能占据相同的状态,这就是为什么,例如,电子在原子填充连续轨道。玻色子,如光子,或粒子的光,可以占据相同的状态,行动使他们一致,如激光的光发射。当两个相同的粒子交换,量子力学的波函数描述他们的结合状态是乘以一个阶段1倍玻色子,费米子和1。
分数量子霍尔效应的发现后不久,建议理论理由是与这个状态相关的内部表现为玻色子和费米子,而是所谓的一个任意子:内部任意互换时,相位因素既不是1也不是1,但分数。尽管经历了数十年的努力,仍没有确凿的实验证明确认这些内部任意子。5/2状态−非阿贝尔任意子−被认为是更多的异国情调。理论上,非阿贝尔任意子服从anyonic统计数据和其他分数量子霍尔州,但这个阶段的特点不能只是被相反的过程。这不能简单地放松阶段将使任何信息存储在系统独特的稳定,,为什么许多人认为5/2可能为量子计算成为一个伟大的候选人。
“示范预测5/2统计将是一个巨大的成就,”院长说。“在许多方面,这将证实,通过编造一个物质系统正确的厚度和适当数量的电子,然后应用合适的磁场,我们可以有效地工程师基本粒子的新类,属性,否则不存在已知粒子之间的自然宇宙中发现。我们仍然没有确凿的证据,5/2国家展览非阿贝尔属性,但是我们发现这个状态的双层石墨烯开辟了令人兴奋的新机会测试这些理论”。
直到现在,所有这些条件需要不仅恰到好处,而且极端。在传统的半导体,even-denominator很难隔离,和只存在超纯材料,在极低的温度下和高磁场。虽然某些特性的状态可观测的设计实验,可以调查国家不破坏它,仍是极具挑战性的课题。
说:“我们需要一个新平台的磨练。“成功的隔离的石墨烯,这些自动薄层碳原子成为一种很有前途的研究平台电子2 d。的关键之一是,电子在石墨烯相互作用更强比传统的二维电子系统,理论上使反应如even-denominator状态更加健壮。尽管有预测,双层石墨烯可以主办长期even-denominator州,在较高的温度下见过,这些预测并没有意识到由于主要的困难使石墨烯清洁不够。”
哥伦比亚大学团队建立在多年的开创性工作提高石墨烯的质量设备,从自动创建超净的设备完全平面二维材料:双层石墨烯的导电通道,六角氮化硼作为保护绝缘子,石墨作为导电栅用于电气连接和改变电荷载体密度通道。
团队预计,他们已经观察到的健壮的测量双层石墨烯将启用新的实验,可以明确证明其自然非阿贝尔。一旦建立,团队希望开始演示使用即使分母状态计算。
“现在几十年来一直认为如果5/2状态确实代表了非阿贝尔任意子,它理论上可以彻底改变的努力建立一个量子计算机,”院长说。“过去,然而,看到状态所需的极端条件下,更不用说用它来计算,总是一个大问题的实用性。在双层石墨烯我们的研究结果表明,到目前为止这个梦想现在可能不是来自现实。”
关于这项研究
这项研究名为“即使分母分数量子霍尔在双层石墨烯州。”
作者还包括:J.I.A.李曾和y(物理系,哥伦比亚大学),c . Tan(机械工程系,哥伦比亚工程),陈,应用物理和应用数学,哥伦比亚工程),t .谷口和k .渡边(日本国家材料科学研究所)。爱游戏提现客服
这项工作是由美国国家科学基金会(dmr - 1507788)。爱游戏提现客服C.R.D承认部分由大卫和露西尔帕卡德基金会的支持。T。C是由索引。这项工作的一部分国家高磁场进行了实验室,由国家科学基金会支持的合作协议。爱游戏体育是什么爱游戏提现客服dmr - 1157490和佛罗里达州。
作者声明没有财务或其他利益冲突。
冬青Evarts /哥伦比亚大学
