Ich dokonania w tym zakresie fascynują, a jakby tego było mało, powinny mieć praktyczny wymiar. Mówi się na przykład o postępach dotyczących projektowania odpornych na błędy komputerów kwantowych. Kulisy zorganizowanych eksperymentów zostały niedawno przedstawione na łamach Nature.
Naukowcy zaangażowani w to przedsięwzięcie, będący przedstawicielami MIT, skupili się na grafenie. Jak wyjaśniają, tzw. ułamkowy kwantowy efekt Halla zaobserwowano do tej pory tylko kilka razy. Zazwyczaj miało to miejsce w bardzo silnych i precyzyjnie kontrolowanych polach magnetycznych. Iście przełomowy był moment, w którym powtórzono ten wyczyn bez zaawansowanych technik dotyczących kontroli pola magnetycznego.
Czytaj też: Stan skupienia materii, jakiego jeszcze nie widzieli. Naukowcy zademonstrowali go w procesorze kwantowym
Na potrzeby badań autorzy połączyli ze sobą pięć warstw grafenu, a następnie umieścili je między dwiema sześciokątnymi warstwami azotku boru. Na koniec poddali tak nietypowe połączenie działaniu skrajnie niskich temperatur. Gdy elektrony przechodziły przez ten hybrydowy materiał, okazały się zachowywać tak, jakby miały formę ułamków i to bez stosowania pól magnetycznych.
Jest to więc historyczny wynik, pokazujący, że ułamkowy kwantowy efekt Halla można uzyskać w grafenie i to w stosunkowo prostych warunkach. Rezultat zaskoczył nawet samych zainteresowanych, którzy nie kryją nim zdziwienia. Z drugiej strony, grafen już niejednokrotnie pokazywał swój potencjał. Na przykład jego skręcona forma wykazuje nadprzewodnictwo w bardzo niskiej temperaturze.
Elektrony poruszające się w grafenie okazały się zachowywać tak, jakby zostały podzielone. To pierwsza taka obserwacja dokonana w tym materiale
W świetle najnowszych ustaleń może się okazać, że będą bardzo dobrą wiadomością dla inżynierów zajmujących się projektowaniem komputerów kwantowych odpornych na błędy. Zdając sobie sprawę z potencjału drzemiącego w grafenie, autorzy dotychczasowych badań zamierzają kontynuować wysiłki poświęcone temu materiałowi.
Jeśli zaś chodzi o początki badań poświęconych ułamkowemu kwantowemu efektowi Halla, to sięgają one 1982 roku. Wtedy to ten fenomen zaobserwowano w heterostrukturach arsenku galu, gdzie gaz zamknięto w dwuwymiarowej płaszczyźnie i poddano działaniu silnych pól magnetycznych. Wystarczy wspomnieć, iż były one około 10-krotnie silniejsze od typowych dla rezonansu magnetycznego. W ubiegłym roku doszło do kolejnego postępu: ten sam efekt zaobserwowano w skręconym półprzewodniku zwanym ditellurkiem molibdenu i to bez udziału dodatkowego pola.
Utorowało to drogę do prowadzenia bezpiecznych obliczeń kwantowych, wykorzystujących połączenie ułamkowego kwantowego efektu Halla i nadprzewodnika. Wcześniej było to niemożliwe ze względu na fakt, że silne pola magnetyczne fatalnie wpływają na działanie nadprzewodników. Teraz natomiast doszło do największego przełomu, bo dotyczącego grafenu, którego kompletnie nie podejrzewano o możliwość wygenerowania opisywanego zjawiska.
Pięć warstw grafenu i skrajnie niskie temperatury – w takich warunkach elektrony w zwolniły i zaczęły wchodzić w bardzo nietypowe interakcje. Dodając heksagonalny azotek boru członkowie zespołu badawczego poszli o krok dalej, nasilając interakcje między elektronami. Przepuszczając prąd przez nowo powstały materiał, autorzy zmierzyli napięcie wyjściowe i właśnie wtedy dostrzegli to, czego tak długo szukali. Zauważyli, że napięcie jest równe prądowi pomnożonemu przez liczbę ułamkową i podstawowe stałe fizyczne. Stało się jasne, iż doszło do pierwszej w historii obserwacji kwantowego ułamkowego efektu Halla w grafenie.