Elektronen werden in Graphen zu Bruchteilen ihrer selbst, wie eine Studie zeigt | MIT-Nachrichten

Das Elektron ist die Grundeinheit der Elektrizität, da es eine einzelne negative Ladung trägt. Das wird uns in der Physik an weiterführenden Schulen beigebracht, und das trifft überwiegend auf die meisten Materialien in der Natur zu.

Aber in ganz besonderen Materiezuständen können Elektronen in Bruchteile ihres Ganzen zersplittern. Dieses als „fraktionierte Ladung“ bekannte Phänomen ist äußerst selten, und wenn es eingedämmt und kontrolliert werden kann, könnte der exotische elektronische Zustand dazu beitragen, widerstandsfähige, fehlertolerante Quantencomputer zu bauen.

Bisher wurde dieser Effekt, den Physiker als „fraktionierter Quanten-Hall-Effekt“ kennen, einige Male beobachtet, und zwar meist unter sehr hohen, sorgfältig aufrechterhaltenen Magnetfeldern. Erst kürzlich haben Wissenschaftler den Effekt in einem Material beobachtet, das keine so starke magnetische Manipulation erforderte.

Jetzt haben MIT-Physiker den schwer fassbaren fraktionierten Ladungseffekt beobachtet, diesmal in einem einfacheren Material: fünf Schichten Graphen – eine atomdünne Kohlenstoffschicht, die aus Graphit und gewöhnlicher Bleistiftmine stammt. Sie berichten heute über ihre Ergebnisse in Natur.

Sie fanden heraus, dass, wenn fünf Graphenschichten wie Stufen auf einer Treppe gestapelt werden, die resultierende Struktur von Natur aus genau die richtigen Bedingungen für den Durchgang von Elektronen als Bruchteile ihrer Gesamtladung bietet, ohne dass ein externes Magnetfeld erforderlich ist.

Die Ergebnisse sind der erste Beweis für den „fraktionierten quantenanomalen Hall-Effekt“ (der Begriff „anomal“ bezieht sich auf das Fehlen eines Magnetfelds) in kristallinem Graphen, einem Material, von dem Physiker nicht erwartet hatten, dass es diesen Effekt zeigt.

„Dieses fünfschichtige Graphen ist ein Materialsystem, in dem viele gute Überraschungen passieren“, sagt Studienautor Long Ju, Assistenzprofessor für Physik am MIT. „Fraktionelle Ladung ist einfach so exotisch, und jetzt können wir diesen Effekt mit einem viel einfacheren System und ohne Magnetfeld realisieren. Das ist an sich schon wichtig für die Grundlagenphysik. Und es könnte die Möglichkeit für eine Art Quantencomputing eröffnen, das robuster gegenüber Störungen ist.“

Jus MIT-Co-Autoren sind die Hauptautoren Zhengguang Lu, Tonghang Han, Yuxuan Yao, Aidan Reddy, Jixiang Yang, Junseok Seo und Liang Fu sowie Kenji Watanabe und Takashi Taniguchi vom National Institute for Materials Science in Japan.

Ein bizarrer Zustand

Der fraktionierte Quanten-Hall-Effekt ist ein Beispiel für die seltsamen Phänomene, die auftreten können, wenn sich Teilchen von ihrem Verhalten als einzelne Einheiten zu einem gemeinsamen Verhalten als Ganzes entwickeln. Dieses kollektive „korrelierte“ Verhalten tritt in besonderen Zuständen auf, beispielsweise wenn Elektronen von ihrer normalerweise hektischen Geschwindigkeit auf ein Kriechtempo verlangsamt werden, das es den Teilchen ermöglicht, einander zu spüren und zu interagieren. Diese Wechselwirkungen können seltene elektronische Zustände hervorrufen, beispielsweise die scheinbar unorthodoxe Aufspaltung der Ladung eines Elektrons.

Im Jahr 1982 entdeckten Wissenschaftler den fraktionierten Quanten-Hall-Effekt in Heterostrukturen von Galliumarsenid, bei denen ein in einer zweidimensionalen Ebene eingeschlossenes Elektronengas starken Magnetfeldern ausgesetzt wird. Die Entdeckung brachte der Gruppe später einen Nobelpreis für Physik ein.

„[The discovery] „Das war eine sehr große Sache, weil diese Einheitsladungen so zusammenwirkten, dass sie so etwas wie eine Teilladung ergaben, sehr, sehr bizarr“, sagt Ju. „Damals gab es keine theoretischen Vorhersagen und die Experimente überraschten alle.“

Diese Forscher erzielten ihre bahnbrechenden Ergebnisse, indem sie Magnetfelder verwendeten, um die Elektronen des Materials so weit zu verlangsamen, dass sie interagieren konnten. Die Felder, mit denen sie arbeiteten, waren etwa zehnmal stärker als die, die normalerweise ein MRT-Gerät antreiben.

Im August 2023 berichteten Wissenschaftler der University of Washington über den ersten Beweis einer Teilladung ohne Magnetfeld. Sie beobachteten diese „anomale“ Version des Effekts in einem verdrehten Halbleiter namens Molybdänditellurid. Die Gruppe bereitete das Material in einer bestimmten Konfiguration vor, von der Theoretiker vorhersagten, dass sie dem Material ein inhärentes Magnetfeld verleihen würde, das ausreicht, um die Fraktionierung der Elektronen ohne externe magnetische Kontrolle zu fördern.

Das Ergebnis „keine Magnete“ eröffnete einen vielversprechenden Weg zum topologischen Quantencomputing – einer sichereren Form des Quantencomputings, bei dem der zusätzliche Bestandteil der Topologie (eine Eigenschaft, die auch bei schwacher Verformung oder Störung unverändert bleibt) einem Qubit zusätzlichen Schutz verleiht bei der Durchführung einer Berechnung. Dieses Berechnungsschema basiert auf einer Kombination aus fraktioniertem Quanten-Hall-Effekt und einem Supraleiter. Früher war es fast unmöglich zu erkennen: Man braucht ein starkes Magnetfeld, um eine Teilladung zu erhalten, während das gleiche Magnetfeld normalerweise den Supraleiter zerstört. In diesem Fall würden die Teilladungen als Qubit (die Grundeinheit eines Quantencomputers) dienen.

Schritte machen

Im selben Monat beobachteten Ju und sein Team zufällig auch Anzeichen einer anomalen Teilladung in Graphen – einem Material, für das es keine Vorhersagen über einen solchen Effekt gab.

Jus Gruppe hat das elektronische Verhalten von Graphen erforscht, das an sich außergewöhnliche Eigenschaften aufweist. Zuletzt hat sich Jus Gruppe mit fünfschichtigem Graphen befasst – einer Struktur aus fünf Graphenschichten, die jeweils leicht gegeneinander gestapelt sind, wie Stufen auf einer Treppe. Eine solche fünfschichtige Graphenstruktur ist in Graphit eingebettet und kann durch Abblättern mit Klebeband erhalten werden. Wenn man sie bei ultrakalten Temperaturen in einen Kühlschrank stellt, werden die Elektronen der Struktur langsamer und interagieren auf eine Art und Weise, wie sie es normalerweise nicht tun würden, wenn sie bei höheren Temperaturen herumflitzen.

In ihrer neuen Arbeit führten die Forscher einige Berechnungen durch und fanden heraus, dass Elektronen möglicherweise noch stärker miteinander interagieren, wenn die Pentaschichtstruktur mit hexagonalem Bornitrid (hBN) ausgerichtet wäre – einem Material, das eine ähnliche Atomstruktur wie Graphen hat, aber mit leicht unterschiedlichen Abmessungen. In Kombination sollten die beiden Materialien ein Moiré-Übergitter erzeugen – eine komplizierte, gerüstartige Atomstruktur, die Elektronen auf eine Weise verlangsamen könnte, die ein Magnetfeld nachahmt.

„Wir haben diese Berechnungen durchgeführt und dann gedacht, lasst uns loslegen“, sagt Ju, der letzten Sommer in seinem MIT-Labor zufällig einen neuen Verdünnungskühlschrank installierte, mit dem das Team Materialien auf extrem niedrige Temperaturen abkühlen wollte, um Exotik zu untersuchen elektronisches Verhalten.

Die Forscher stellten zwei Proben der hybriden Graphenstruktur her, indem sie zunächst Graphenschichten von einem Graphitblock ablösten und dann mit optischen Werkzeugen fünfschichtige Flocken in der stufenförmigen Konfiguration identifizierten. Anschließend stempelten sie die Graphenflocke auf eine hBN-Flocke und platzierten eine zweite hBN-Flocke über der Graphenstruktur. Schließlich befestigten sie Elektroden an der Struktur und stellten sie in den Kühlschrank, der auf nahezu den absoluten Nullpunkt eingestellt war.

Als sie einen Strom an das Material anlegten und die Ausgangsspannung maßen, begannen sie, Signaturen einer Bruchteilladung zu erkennen, wobei die Spannung dem Strom multipliziert mit einer Bruchzahl und einigen grundlegenden physikalischen Konstanten entspricht.

„An dem Tag, als wir es sahen, erkannten wir es zunächst nicht“, sagt Erstautor Lu. „Dann fingen wir an zu schreien, als uns klar wurde, dass das wirklich groß war. Es war ein völlig überraschender Moment.“

„Das waren wahrscheinlich die ersten ernsthaften Proben, die wir in den neuen Kühlschrank gelegt haben“, fügt Co-Erstautor Han hinzu. „Als wir uns beruhigt hatten, schauten wir genau hin, um sicherzustellen, dass das, was wir sahen, echt war.“

Mit weiteren Analysen bestätigte das Team, dass die Graphenstruktur tatsächlich den fraktionierten quantenanomalen Hall-Effekt aufwies. Es ist das erste Mal, dass der Effekt bei Graphen beobachtet wurde.

„Graphen kann auch ein Supraleiter sein“, sagt Ju. „Man könnte also zwei völlig unterschiedliche Effekte im selben Material direkt nebeneinander erzielen. Wenn man Graphen verwendet, um mit Graphen zu kommunizieren, werden viele unerwünschte Effekte bei der Verbindung von Graphen mit anderen Materialien vermieden.“

Derzeit erforscht die Gruppe weiterhin mehrschichtiges Graphen für andere seltene elektronische Zustände.

„Wir tauchen ein, um viele grundlegende Ideen und Anwendungen der Physik zu erforschen“, sagt er. „Wir wissen, dass noch mehr kommen wird.“

Diese Forschung wird teilweise von der Sloan Foundation und der National Science Foundation unterstützt.