Terobosan Graphene Baru MIT Membentuk Masa Depan Komputasi Kuantum

Keadaan elektronik eksotik yang diamati oleh DENGAN fisikawan dapat memungkinkan bentuk-bentuk yang lebih kuat komputasi kuantum.

Elektron adalah satuan dasar listrik, karena ia membawa muatan negatif tunggal. Inilah yang diajarkan kepada kita dalam fisika sekolah menengah atas, dan hal ini banyak terjadi pada sebagian besar materi di alam.

Namun dalam keadaan materi yang sangat khusus, elektron dapat terpecah menjadi pecahan-pecahan dari keseluruhannya. Fenomena ini, yang dikenal sebagai “muatan pecahan”, sangat jarang terjadi, dan jika fenomena ini dapat dikendalikan dan dikendalikan, keadaan elektronik yang eksotik ini dapat membantu membangun komputer kuantum yang tangguh dan toleran terhadap kesalahan.

Sampai saat ini, efek ini, yang dikenal oleh fisikawan sebagai “efek Hall kuantum pecahan,” telah diamati beberapa kali, dan sebagian besar terjadi di bawah medan magnet yang sangat tinggi dan dijaga dengan hati-hati. Baru-baru ini para ilmuwan melihat efek pada material yang tidak memerlukan manipulasi magnet sekuat itu.

Kini, fisikawan MIT telah mengamati efek muatan pecahan yang sulit dipahami, kali ini dalam bahan yang lebih sederhana: lima lapisan graphene – sebuah atom-lapisan tipis karbon yang berasal dari grafit dan ujung pensil biasa. Mereka melaporkan hasilnya pada 21 Februari di jurnal Alam.

Foto tim. Dari kiri ke kanan: Long Ju, Postdoc Zhengguang Lu, sarjana tamu Yuxuan Yao, mahasiswa pascasarjana Tonghang Hang. Kredit: Jixiang Yang

Mereka menemukan bahwa ketika lima lembar graphene ditumpuk seperti anak tangga di tangga, struktur yang dihasilkan secara inheren menyediakan kondisi yang tepat bagi elektron untuk melewati sebagian kecil dari muatan totalnya, tanpa memerlukan medan magnet eksternal.

Hasilnya adalah bukti pertama dari “efek Hall anomali kuantum pecahan” (istilah “anomali” mengacu pada tidak adanya medan magnet) dalam kristal graphene, bahan yang tidak diharapkan oleh fisikawan untuk menunjukkan efek ini.

“Grafena lima lapis ini adalah sistem material tempat banyak kejutan baik terjadi,” kata penulis studi Long Ju, asisten profesor fisika di MIT. “Muatan pecahan sangat eksotik, dan sekarang kita dapat mewujudkan efek ini dengan sistem yang lebih sederhana dan tanpa medan magnet. Hal ini sendiri penting untuk fisika fundamental. Dan hal ini dapat membuka kemungkinan terciptanya jenis komputasi kuantum yang lebih kuat terhadap gangguan.”

Rekan penulis Ju di MIT adalah penulis utama Zhengguang Lu, Tonghang Han, Yuxuan Yao, Aidan Reddy, Jixiang Yang, Junseok Seo, dan Liang Fu, bersama dengan Kenji Watanabe dan Takashi Taniguchi di Institut Nasional untuk Ilmu Material di Jepang.

Keadaan yang Aneh

Efek Hall kuantum pecahan adalah contoh fenomena aneh yang dapat muncul ketika partikel berubah dari berperilaku sebagai unit individu menjadi bertindak bersama sebagai keseluruhan. Perilaku “berkorelasi” kolektif ini muncul dalam keadaan khusus, misalnya ketika elektron diperlambat dari kecepatan biasanya yang hingar-bingar menjadi kecepatan merangkak yang memungkinkan partikel-partikel tersebut merasakan satu sama lain dan berinteraksi. Interaksi ini dapat menghasilkan keadaan elektronik yang jarang terjadi, seperti pemisahan muatan elektron yang tampaknya tidak lazim.

Pada tahun 1982, para ilmuwan menemukan efek Hall kuantum fraksional dalam heterostruktur galium arsenida, di mana gas elektron yang terkurung dalam bidang dua dimensi ditempatkan di bawah medan magnet tinggi. Penemuan ini kemudian membuat kelompok tersebut memenangkan Hadiah Nobel Fisika.

“(Penemuan ini) adalah hal yang sangat besar, karena interaksi muatan-muatan satuan ini sedemikian rupa sehingga menghasilkan sesuatu seperti muatan pecahan sangatlah, sangat aneh,” kata Ju. “Pada saat itu, tidak ada prediksi teori, dan eksperimen tersebut mengejutkan semua orang.”

Para peneliti tersebut mencapai hasil terobosan mereka dengan menggunakan medan magnet untuk memperlambat elektron material agar dapat berinteraksi. Bidang yang mereka gunakan sekitar 10 kali lebih kuat dari apa yang biasanya menggerakkan mesin MRI.

Pada Agustus 2023, para ilmuwan di Universitas Washington melaporkan bukti pertama muatan pecahan tanpa medan magnet. Mereka mengamati versi efek “anomali” ini, dalam semikonduktor bengkok yang disebut molibdenum ditellurida. Kelompok tersebut menyiapkan material dalam konfigurasi tertentu, yang diperkirakan oleh para ahli teori akan memberikan material tersebut medan magnet yang melekat, cukup untuk mendorong elektron melakukan fraksinasi tanpa kontrol magnet eksternal.

Hasil “tanpa magnet” membuka jalan yang menjanjikan menuju komputasi kuantum topologi – suatu bentuk komputasi kuantum yang lebih aman, di mana bahan tambahan topologi (properti yang tetap tidak berubah dalam menghadapi deformasi atau gangguan yang lemah) memberikan perlindungan tambahan pada qubit saat melakukan komputasi. Skema komputasi ini didasarkan pada kombinasi efek Hall kuantum fraksional dan superkonduktor. Hal ini hampir mustahil untuk disadari: Seseorang memerlukan medan magnet yang kuat untuk mendapatkan muatan pecahan, sedangkan medan magnet yang sama biasanya akan mematikan superkonduktor. Dalam hal ini muatan pecahan akan berfungsi sebagai qubit (unit dasar komputer kuantum).

Membuat Langkah

Pada bulan yang sama, Ju dan timnya juga mengamati tanda-tanda anomali muatan pecahan pada graphene – bahan yang belum pernah diprediksi akan menunjukkan efek seperti itu.

Kelompok Ju telah mengeksplorasi perilaku elektronik dalam graphene, yang dengan sendirinya telah menunjukkan sifat luar biasa. Baru-baru ini, kelompok Ju telah mempelajari pentalayer graphene – struktur lima lembar graphene, masing-masing ditumpuk agak terpisah, seperti anak tangga di tangga. Struktur graphene pentalayer tersebut tertanam dalam grafit dan dapat diperoleh dengan pengelupasan kulit menggunakan selotip. Ketika ditempatkan di lemari es pada suhu sangat dingin, elektron-elektron struktur tersebut melambat dan berinteraksi dengan cara yang tidak biasa mereka lakukan ketika bergerak pada suhu yang lebih tinggi.

Dalam karya baru mereka, para peneliti melakukan beberapa perhitungan dan menemukan bahwa elektron mungkin berinteraksi satu sama lain lebih kuat jika struktur pentalayer disejajarkan dengan heksagonal boron nitrida (hBN) – bahan yang memiliki struktur atom mirip dengan graphene, namun dengan dimensi yang sedikit berbeda. Jika digabungkan, kedua bahan tersebut akan menghasilkan superlattice moiré – struktur atom rumit seperti perancah yang dapat memperlambat elektron dengan cara yang meniru medan magnet.

“Kami melakukan perhitungan ini, lalu berpikir, mari kita lakukan,” kata Ju, yang kebetulan memasang lemari es pengenceran baru di laboratorium MIT musim panas lalu, yang rencananya akan digunakan oleh tim untuk mendinginkan bahan hingga suhu sangat rendah, untuk mempelajari bahan eksotik. perilaku elektronik.

Para peneliti membuat dua sampel struktur graphene hibrida dengan terlebih dahulu mengelupas lapisan graphene dari blok grafit, kemudian menggunakan alat optik untuk mengidentifikasi serpihan lima lapis dalam konfigurasi seperti langkah. Mereka kemudian menempelkan serpihan graphene ke serpihan hBN dan menempatkan serpihan hBN kedua di atas struktur graphene. Akhirnya, mereka menempelkan elektroda ke struktur tersebut dan menaruhnya di lemari es, dekat dengan itu nol mutlak.

Saat mereka mengalirkan arus ke material dan mengukur keluaran tegangan, mereka mulai melihat tanda-tanda muatan pecahan, di mana tegangan sama dengan arus dikalikan dengan bilangan pecahan dan beberapa konstanta fisika dasar.

“Saat kami melihatnya, awalnya kami tidak mengenalinya,” kata penulis pertama Lu. “Kemudian kami mulai berteriak ketika kami menyadari, ini sangat besar. Itu adalah momen yang benar-benar mengejutkan.”

“Ini mungkin sampel serius pertama yang kami masukkan ke dalam lemari es baru,” tambah penulis pertama Han. “Setelah kami tenang, kami melihat secara detail untuk memastikan bahwa apa yang kami lihat itu nyata.”

Dengan analisis lebih lanjut, tim mengkonfirmasi bahwa struktur graphene memang menunjukkan efek Hall anomali kuantum pecahan. Ini adalah pertama kalinya efeknya terlihat pada graphene.

“Graphene juga bisa menjadi superkonduktor,” kata Ju. “Jadi, Anda bisa mendapatkan dua efek yang sangat berbeda pada material yang sama, tepat bersebelahan. Jika Anda menggunakan graphene untuk berbicara dengan graphene, ini akan menghindari banyak efek yang tidak diinginkan saat menjembatani graphene dengan material lain.”

Untuk saat ini, kelompok tersebut terus mengeksplorasi graphene multilayer untuk keadaan elektronik langka lainnya.

“Kami mendalaminya untuk mengeksplorasi banyak ide dan penerapan fisika mendasar,” katanya. “Kami tahu akan ada lebih banyak lagi yang akan datang.”

Referensi: “Efek Hall anomali kuantum pecahan dalam graphene multilayer” oleh Zhengguang Lu, Tonghang Han, Yuxuan Yao, Aidan P. Reddy, Jixiang Yang, Junseok Seo, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Liang Fu dan Long Ju, 21 Februari 2024, Alam.
DOI: 10.1038/s41586-023-07010-7

Penelitian ini sebagian didukung oleh Sloan Foundation dan National Science Foundation.