Sciencemag.cz
Doporučujeme
Ve velmi zvláštních stavech hmoty se elektrony mohou štěpit na zlomky a ty pak mají i podobně „zlomkovité“ elektrické náboje. Tento jev je mimořádně vzácný, a pokud se jej podaří usměrnit a ovládat, mohl by příslušný exotický elektrický stav pomoci při konstrukci kvantových počítačů odolných proti poruchám.
Tzv. frakční kvantový Hallův jev byl dosud pozorován jen několikrát, a to většinou ve velmi vysokých a pečlivě udržovaných magnetických polích. Teprve nedávno vědci zaznamenali tento efekt i v materiálu, který nevyžadoval tak silnou magnetickou manipulaci. Nyní fyzikové z MITu jev i mnohem v jednodušším materiálu: v pěti vrstvách grafenu. Takové chování se u grafenu nepředpokládalo.
Autoři nové studie zjistili, že když se pět listů grafenu poskládá na sebe jako stupně na schodišti (tj. posunutě vůči sobě), výsledná struktura ze své podstaty poskytuje ty správné podmínky pro průchod elektronů v podobě zlomků jejich celkového náboje, aniž by k tomu bylo zapotřebí vnějšího magnetického pole (tzv. anomální frakční kvantový Hallův jev, kde „anomální“ odpovídá právě absenci vnějšího magnetického pole).
Podivné chování elektronů je důsledkem vzniku jejich „kolektivního“ stavu.
Anomální frakční kvantový Hallův jev zaznamenali poprvé loni vědci z University of Washington, a to v zkrouceném polovodiči telluridu molybdeničitém MoTe2. Nyní skupina z MITu připravila grafen ve specifické konfiguraci, která podle předpokladů teoretiků poskytne materiálu inherentní magnetické pole, dostatečné k tomu, aby podnítilo elektrony k frakcionalizaci i bez vnějšího magnetického pole.
Co se pak týče kvantového počítání, zvýšená odolnost byla měla být důsledkem topologických vlastností materiálu. Frakční kvantový Hallův jev je ovšem (alespoň v nejběžnější verzi realizace qubitů) třeba kombinovat se supravodiči – a supravodivost by vnější magnetické pole narušovalo.
Pětivrstvý grafen lze získat řízenou exfoliací přímo z grafitu – cca i pomocí obyčejné lepicí pásky. Pětivrstvé struktury patřičných vlastností pak byly ze směsi vybrány pomocí speciálních optických nástrojů. Za velmi nízkých teplot se pak elektrony v materiálu zpomalí a vykážou potřebné kolektivní chování. Vlastnosti grafenu se ještě vylepší tím, když se struktura vloží mezi dvě vločky hexagonálního nitridu bóru, čímž vznikne speciální „supermřížka“ (moaré).
Existence zlomkových elektrických nábojů se prokázala při pouštění elektrického proudu do materiálu při sledování vztahu mezi proudem a napětím.
„Grafen může být také supravodičem,“ uvádí spoluautor studie Long Ju z MITu „Takže můžete mít dva naprosto odlišné efekty v jednom materiálu, a to hned vedle sebe. Vyhnete se tak spoustě nežádoucích efektů provázejících propojování grafenu s jinými materiály.“
Long Ju, Fractional quantum anomalous Hall effect in multilayer graphene, Nature (2024). DOI: 10.1038/s41586-023-07010-7. www.nature.com/articles/s41586-023-07010-7
Zdroj: Massachusetts Institute of Technology / MIT News / Phys.org, přeloženo / zkráceno
Používaný termín je „zlomkový kvantový Hallův jev“. „Frakční kvantový Hallův jev“ je pouhý výsledek strojového překladu, např. https://www.nlfnorm.cz/terminologicky-slovnik/201000#id-201000 položka 3.4.3.3, kde je neoficialita překladu výslovně přiznána.
Doporučuji text opravit.