На краях графена зафиксированы новые квантовые электронные состояния

Новые исследования Массачусетского технологического института показывают, что графен может использоваться для квантовых вычислений. Как выяснилось, в сильном магнитном поле при низких температурах графен может эффективно фильтровать электроны по спину и направлению их движения — ни одна известная ранее электронная система с этой задачей не справляется.

В обычных условиях листы графена ведут себя как проводники: если к ним приложить напряжение, возникнет ток. Но если перпендикулярно листу графена действует магнитное поле, поведение меняется: ток наблюдается только вдоль одного края, остальная часть листа служит изолятором. В зависимости от ориентации магнитного поля, движение электронов происходит по или против часовой стрелки — феномен, известный как квантовый эффект Холла (quantum Hall effect).

В новых экспериментах исследователям МТИ удалось показать, что если приложить второе мощное магнитное поле, в плоскости графена, поведение материала снова изменится: электроны будут двигаться вдоль одного края материала, причем только электроны одного спина. Таким образом, создается своего рода провод, проводящий ток в одном направлении. Сегрегация электронов по спину — обычное свойство диэлектрика, каким в обычных условиях графен не является. Таким образом, получено совершенно необычное состояние системы. Более того, это состояние можно включать или выключать изменяя направление магнитного поля. К тому же, система не имеет эффекта обратного рассеяния (backscattering).

На пластине графена в сильном магнитном поле электроны движутся только вдоль края, не смещаясь внутрь. В одном направлении вдоль одного края перемещаются только частицы с одинаковым спином (синие), электроны с противоположным спином (красные) блокируются

Эксперименты проводились при температуре на 0,3 градуса выше абсолютного нуля, при воздействии магнитного поля силой 35 тесла.

В исследовании также принимали участие специалисты Колумбийского университета (Нью Йорк, США) и Национального института материаловедения (National Institute for Materials Science, Цукуба, Япония). Исследования проводились на мощностях Национальной лаборатории сильных магнитных полей (National High Magnetic Field Laboratory, Флорида, США) при финансовой поддержке Министерства энергетики США, фонда Гордона и Бетти Мур и Национального научного фонда США. Результаты работы опубликованы в журнале Nature.

Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365