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二维半导体被发现接近理想的分数量子霍尔平台

哥伦比亚大学的研究人员报告称,他们首次在单层二维半导体中观察到一种被称为分数量子霍尔态(FQHS)的量子流体,它是物质最微妙的相之一。他们的发现证明了二维半导体优异的内在质量,并使其成为未来量子计算应用的独特测试平台。这项研究今天发表在《自然纳米技术》的网络版上。

哥伦比亚大学物理学教授科里·迪安说:“在二维半导体中观察到这种状态,我们感到非常惊讶,因为通常认为它们太脏太无序,无法容纳这种效应。”“此外,在我们的实验中,FQHS序列揭示了我们以前从未见过的意想不到和有趣的新行为,实际上表明,二维半导体是接近理想的平台,进一步研究FQHS。”

分数量子霍尔态是研究人员将电子限制在一个薄的二维平面上运动,并将其置于大磁场下时产生的一种集体现象。分数量子霍尔效应于1982年首次被发现,至今已有40多年的研究,但许多基本问题仍然存在。其中一个原因是这种状态非常脆弱,而且只出现在最干净的材料中。

“FQHS的观测因此常常被看作是二维材料的一个重要的里程碑——只有最清洁的电子系统才能达到这样的水平,”哥伦比亚工程学院机械工程教授Jim Hone说。

虽然石墨烯是最著名的二维材料,但在过去10年里已经发现了大量类似材料,它们都可以剥离成单层。其中一类材料是过渡金属双卤代化合物(TMD),如本研究中使用的WSe2材料。和石墨烯一样,它们可以被剥成原子般薄,但与石墨烯不同的是,它们在磁场下的特性要简单得多。挑战是TMDs的晶体质量不是很好。

“自从TMD出现在舞台上,它一直被认为是一种有很多缺陷的脏材料,”Hone说,他的团队已经对TMDs的质量做出了显著的改进,将其推向了接近石墨烯的质量——通常被认为是二维材料的终极纯度标准。

除了样品质量之外,半导体二维材料的研究还受到了难以获得良好电接触的阻碍。为了解决这个问题,哥伦比亚大学的研究人员还开发了通过电容测量电子特性的能力,而不是传统的通过流动电流和测量电阻的方法。这种技术的一个主要优点是测量对不良电接触和材料中的杂质都较不敏感。这项新研究的测量是在国家高磁场实验室的超大磁场下进行的,这有助于稳定fqhs。

“我们观察到的表征FQHS的分数——粒子与磁通量的比率——遵循一个非常简单的序列,”该论文的第一作者、哥伦比亚纳米计划的博士后研究员施倩慧说。“这个简单的序列与一般的理论预期一致,但之前所有的系统显示出更复杂和不规则的行为。这告诉我们,我们终于有了一个研究FQHS的近乎理想的平台,在那里可以直接将实验与简单模型进行比较。”

在小数中,有一个分母是偶数。“观察分数量子霍尔效应本身是令人惊讶的,在这些设备中看到偶数分母的状态是真正令人惊讶的,因为之前这种状态只能在最好的设备中观察到,”Dean说。

自20世纪80年代末首次发现甚至有分母的分数态以来,它们就受到了特别的关注,因为它们被认为代表了一种新的粒子,一种具有与宇宙中任何其他已知粒子不同的量子特性的粒子。利兹大学(University of Leeds)理论物理学副教授兹拉特科·帕皮克(Zlatko Papic)指出:“这些奇异粒子的独特特性可以用于设计免受多种来源错误影响的量子计算机。”

到目前为止,理解和利用偶数分母状态的实验努力受到了它们极高灵敏度和能发现这种状态的材料极其少的限制。“这使得在一个新的和不同的材料平台上发现分母状态,真的非常令人兴奋,”Dean补充道。

哥伦比亚大学的两个实验室——迪安实验室和Hone小组——与提供部分材料的日本NIMS和Papic合作,后者的小组进行了实验的计算建模。这两个哥伦比亚实验室都是该大学材料研究科学和工程中心的一部分。该项目还使用了哥伦比亚纳米倡议和城市学院的洁净室设施。大磁场的测量是在国家高磁场实验室进行的,该实验室是由国家科学基金会资助的用户设施,总部设在佛罗里达州塔拉哈西的佛罗里达州立大学。

现在研究人员有了非常干净的二维半导体和有效的探针,他们正在探索从这些二维平台中产生的其他有趣状态。

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