«Мы были очень удивлены, наблюдая это состояние в 2D-полупроводниках, потому что обычно предполагалось, что они слишком грязные и неупорядоченные, чтобы выдержать этот эффект», – говорит Кори Дин, профессор физики Колумбийского университета. «Более того, последовательность FQHS в нашем эксперименте показывает неожиданное и интересное новое поведение, которого мы никогда раньше не видели, и фактически предполагает, что 2D полупроводники являются платформой, близкой к идеальной для дальнейшего изучения FQHS."
Дробное квантовое состояние Холла – это коллективное явление, которое возникает, когда исследователи ограничивают движение электронов в тонкой двумерной плоскости и подвергают их воздействию сильных магнитных полей.
Впервые открытый в 1982 году дробный квантовый эффект Холла изучается более 40 лет, но многие фундаментальные вопросы все еще остаются. Одна из причин этого в том, что состояние очень хрупкое и проявляется только в самых чистых материалах.
«Поэтому соблюдение FQHS часто рассматривается как важная веха для 2D-материала, которого достигли только самые чистые электронные системы», – отмечает Джим Хоун, профессор машиностроения Ван Фонг-Джен в Columbia Engineering.
Хотя графен является наиболее известным 2D-материалом, за последние 10 лет была выявлена большая группа подобных материалов, каждый из которых может расслаиваться до толщины одного слоя. Один из классов этих материалов – дихалькогениды переходных металлов (TMD), такие как WSe2, материал, используемый в этом новом исследовании. Как и графен, их можно очистить до атомарной толщины, но, в отличие от графена, их свойства в магнитных полях намного проще.
Проблема заключалась в том, что качество кристаллов TMD было не очень хорошим.
«С тех пор, как TMD вышел на сцену, его всегда считали грязным материалом со множеством дефектов», – говорит Хоун, чья группа значительно улучшила качество TMD, доведя его до качества, близкого к графену, что часто считается высший стандарт чистоты среди 2D-материалов.
Помимо качества образцов, исследованиям полупроводниковых 2D-материалов препятствовали трудности обеспечения хорошего электрического контакта. Чтобы решить эту проблему, исследователи из Колумбии также разрабатывают возможность измерения электронных свойств по емкости, а не с помощью традиционных методов протекания тока и измерения сопротивления.
Основным преимуществом этого метода является то, что измерение менее чувствительно как к плохому электрическому контакту, так и к примесям в материале. Измерения для этого нового исследования были выполнены в очень сильных магнитных полях, которые помогают стабилизировать FQHS, в Национальной лаборатории сильного магнитного поля.
«Дробные числа, характеризующие FQHS, которые мы наблюдали – отношения частицы к числу магнитного потока – следуют очень простой последовательности», – говорит Цяньхуэй Ши, первый автор статьи и научный сотрудник Columbia Nano Initiative. "Простая последовательность соответствует общим теоретическим ожиданиям, но все предыдущие системы демонстрируют более сложное и нерегулярное поведение. Это говорит нам о том, что у нас наконец-то есть почти идеальная платформа для изучения FQHS, где эксперименты можно напрямую сравнивать с простыми моделями."
Среди дробных чисел одно из них имеет четный знаменатель. «Наблюдение дробного квантового эффекта Холла само по себе было удивительным, наблюдение состояния четного знаменателя в этих устройствах было поистине удивительным, поскольку раньше это состояние наблюдалось только в самых лучших из лучших устройств», – говорит Дин.
Дробные состояния с четными знаменателями привлекли особое внимание с момента их первого открытия в конце 1980-х годов, поскольку считается, что они представляют собой частицы нового типа, квантовые свойства которых отличаются от любой другой известной частицы во Вселенной. «Уникальные свойства этих экзотических частиц, – отмечает Златко Папич, доцент теоретической физики Университета Лидса, – могут быть использованы для разработки квантовых компьютеров, защищенных от многих источников ошибок."
До сих пор экспериментальные попытки понять и использовать состояния четного знаменателя были ограничены их чрезвычайной чувствительностью и чрезвычайно небольшим количеством материалов, в которых это состояние могло быть обнаружено. «Это делает открытие состояния четного знаменателя в новой – и другой – материальной платформе действительно очень захватывающим», – добавляет Дин.
Две лаборатории Колумбийского университета – Dean Lab и Hone Group – работали в сотрудничестве с NIMS Japan, которая предоставила некоторые материалы, и Papic, чья группа выполнила вычислительное моделирование экспериментов.
Обе лаборатории Колумбии являются частью университетского центра материаловедения и инженерии. В этом проекте также использовались чистые комнаты в Columbia Nano Initiative и City College.
Измерения сильных магнитных полей проводились в Национальной лаборатории сильных магнитных полей, пользовательском объекте, финансируемом Национальным научным фондом, со штаб-квартирой в Университете штата Флорида в Таллахасси, штат Флорида.
Теперь, когда у исследователей есть очень чистые 2D-полупроводники, а также эффективный зонд, они изучают другие интересные состояния, которые возникают на этих 2D-платформах.