Hành trình Khoa học, Không gian và Thời gian!
Các nhà nghiên cứu báo cáo rằng họ đã quan sát thấy một chất lỏng lượng tử được gọi là trạng thái Hall lượng tử phân đoạn (FQHS), một trong những pha tinh vi nhất của vật chất, lần đầu tiên trong chất bán dẫn 2D đơn lớp. Phát hiện của họ chứng minh chất lượng nội tại tuyệt vời của chất bán dẫn 2D và thiết lập chúng như một nền tảng thử nghiệm độc đáo cho các ứng dụng trong tương lai trong điện toán lượng tử.
Các nhà nghiên cứu của Đại học Columbia báo cáo rằng họ đã quan sát thấy một chất lỏng lượng tử được gọi là trạng thái Hall lượng tử phân đoạn (FQHS), một trong những giai đoạn tinh vi nhất của vật chất, lần đầu tiên trong chất bán dẫn 2D đơn lớp. Phát hiện của họ chứng minh chất lượng nội tại tuyệt vời của chất bán dẫn 2D và thiết lập chúng như một nền tảng thử nghiệm độc đáo cho các ứng dụng trong tương lai trong điện toán lượng tử. Nghiên cứu được công bố trực tuyến ngày hôm nay trên tạp chí Nature Nanotech .
“Chúng tôi đã rất ngạc nhiên khi quan sát trạng thái này trong chất bán dẫn 2D bởi vì người ta thường cho rằng chúng quá bẩn và không phù hợp để lưu trữ hiệu ứng này”, Cory Dean, giáo sư vật lý tại Đại học Columbia nói. “Hơn nữa, trình tự FQHS trong thí nghiệm của chúng tôi cho thấy hành vi mới bất ngờ và thú vị mà chúng tôi chưa từng thấy trước đây và trên thực tế cho thấy rằng chất bán dẫn 2D là nền tảng gần với lý tưởng để nghiên cứu thêm về FQHS.”
Trạng thái Hall lượng tử phân đoạn là một hiện tượng tập thể xuất hiện khi các nhà nghiên cứu giam giữ các electron di chuyển trong một mặt phẳng hai chiều mỏng và đặt chúng vào các từ trường lớn. Được phát hiện lần đầu tiên vào năm 1982, hiệu ứng Hall lượng tử phân đoạn đã được nghiên cứu trong hơn 40 năm nhưng vẫn còn nhiều câu hỏi cơ bản. Một trong những lý do cho điều này là nhà nước rất mong manh và chỉ xuất hiện trong các vật liệu sạch nhất.
Do đó, việc quan sát FQHS thường được xem là một cột mốc quan trọng đối với vật liệu 2D – một hệ thống điện tử rất sạch nhất đã đạt được, “Jim Hone, Giáo sư Kỹ thuật Cơ khí của Wang Fong-Jen lưu ý tại Columbia Engineering.
Trong khi graphene là vật liệu 2D được biết đến nhiều nhất, một nhóm lớn các vật liệu tương tự đã được xác định trong 10 năm qua, tất cả chúng có thể được tẩy tế bào chết xuống độ dày một lớp. Một lớp của các vật liệu này là dichalcogenides kim loại chuyển tiếp (TMD) như WSe2, vật liệu được sử dụng trong nghiên cứu mới này. Giống như graphene, chúng có thể được bóc thành mỏng nguyên tử nhưng không giống như graphene, tính chất của chúng dưới từ trường đơn giản hơn nhiều. Thách thức là chất lượng tinh thể của TMDs không được tốt lắm.
“Kể từ khi TMD xuất hiện trên sân khấu, nó luôn được coi là một vật liệu bẩn với nhiều khuyết điểm”, Hone, nhóm đã cải thiện đáng kể chất lượng của TMD, đẩy chất lượng gần bằng graphene – thường được coi là tiêu chuẩn cuối cùng của độ tinh khiết giữa các vật liệu 2D.
Ngoài chất lượng mẫu, các nghiên cứu về vật liệu 2D bán dẫn đã bị cản trở bởi những khó khăn để tạo ra sự tiếp xúc điện tốt. Để giải quyết vấn đề này, các nhà nghiên cứu Columbia cũng đã phát triển khả năng đo các tính chất điện tử bằng điện dung, thay vì các phương pháp thông thường để truyền dòng điện và đo điện trở. Một lợi ích chính của kỹ thuật này là phép đo ít nhạy hơn với cả tiếp xúc điện kém và tạp chất trong vật liệu. Các phép đo cho nghiên cứu mới này được thực hiện dưới từ trường rất lớn – giúp ổn định FQHS – tại Phòng thí nghiệm từ trường quốc gia cao.
Qianhui Shi, tác giả đầu tiên của bài báo và một nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại Sáng kiến Nano Columbia cho biết: “Các số phân số đặc trưng cho FQHS mà chúng tôi quan sát được – tỷ lệ của hạt với số lượng từ thông – theo một trình tự rất đơn giản”. “Trình tự đơn giản phù hợp với kỳ vọng lý thuyết chung, nhưng tất cả các hệ thống trước đó cho thấy hành vi phức tạp và bất thường hơn. Điều này cho chúng ta biết rằng cuối cùng chúng ta có một nền tảng gần như lý tưởng để nghiên cứu FQHS, nơi các thí nghiệm có thể được so sánh trực tiếp với các mô hình đơn giản.”
Trong số các số phân số, một trong số chúng có mẫu số chẵn. “Quan sát hiệu ứng Hall lượng tử phân đoạn là rất đáng ngạc nhiên, thấy trạng thái mẫu số chẵn trong các thiết bị này thực sự đáng kinh ngạc, vì trước đây trạng thái này chỉ được quan sát thấy ở những thiết bị tốt nhất,” ông Dean nói.
Các trạng thái phân số có mẫu số chẵn đã nhận được sự chú ý đặc biệt kể từ lần khám phá đầu tiên vào cuối những năm 1980, vì chúng được cho là đại diện cho một loại hạt mới, một loại có tính chất lượng tử khác với bất kỳ hạt nào khác được biết trong vũ trụ. “Các tính chất độc đáo của các hạt kỳ lạ này”, Zlatko Papic, phó giáo sư vật lý lý thuyết tại Đại học Leeds, “có thể được sử dụng để thiết kế các máy tính lượng tử được bảo vệ khỏi nhiều nguồn lỗi.”
Cho đến nay, những nỗ lực thử nghiệm để hiểu và khai thác các trạng thái mẫu số chẵn đã bị giới hạn bởi độ nhạy cực cao của chúng và số lượng vật liệu cực kỳ nhỏ mà trạng thái này có thể được tìm thấy. “Điều này làm cho việc phát hiện ra trạng thái mẫu số chẵn trong một nền tảng vật chất mới – và khác biệt, thực sự rất thú vị,” Dean nói thêm.
Hai phòng thí nghiệm của Đại học Columbia – Phòng thí nghiệm Dean và Tập đoàn Hone – đã hợp tác với NIMS Nhật Bản, nơi cung cấp một số tài liệu và Papic, nhóm đã thực hiện mô hình tính toán các thí nghiệm. Cả hai phòng thí nghiệm Columbia đều là một phần của Trung tâm Khoa học và Kỹ thuật Nghiên cứu Vật liệu của trường đại học. Dự án này cũng đã sử dụng các cơ sở phòng sạch tại cả Columbia Nano Initiative và City College. Các phép đo tại các từ trường lớn được thực hiện tại Phòng thí nghiệm từ trường quốc gia, một cơ sở người dùng được tài trợ bởi Quỹ khoa học quốc gia và có trụ sở tại Đại học bang Florida ở Tallahassee, Fl.
Giờ đây, khi các nhà nghiên cứu có chất bán dẫn 2D rất sạch cũng như đầu dò hiệu quả, họ đang khám phá những trạng thái thú vị khác xuất hiện từ các nền tảng 2D này.
Nguồn truyện:
Tài liệu được cung cấp bởi Trường Đại học Kỹ thuật và Khoa học Ứng dụng Columbia . Bản gốc được viết bởi Holly Evarts. Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa cho kiểu dáng và độ dài.
Tạp chí tham khảo :