哥倫比亞大學的研究人員報告說，他們首次在單層二維半導體中觀察到了一種稱為分數(shù)量子霍爾態(tài) (FQHS) 的量子流體，這是物質(zhì)最微妙的相之一。他們的發(fā)現(xiàn)證明了二維半導體卓越的內(nèi)在質(zhì)量，并將其確立為未來量子計算應用的獨特測試平臺。該研究今天在線發(fā)表在《自然納米技術(shù)》上。

哥倫比亞大學物理學教授科里·迪恩 (Cory Dean) 說：“我們非常驚訝地觀察到二維半導體中的這種狀態(tài)，因為人們普遍認為它們太臟和無序，無法產(chǎn)生這種效應。” “此外，我們實驗中的 FQHS 序列揭示了我們以前從未見過的意外和有趣的新行為，實際上表明二維半導體是進一步研究 FQHS 的接近理想的平臺。”

分數(shù)量子霍爾態(tài)是一種集體現(xiàn)象，當研究人員限制電子在一個薄的二維平面中移動，并使它們受到大磁場的影響時，就會出現(xiàn)這種現(xiàn)象。分數(shù)量子霍爾效應于 1982 年首次被發(fā)現(xiàn)，已經(jīng)研究了 40 多年，但許多基本問題仍然存在。造成這種情況的原因之一是狀態(tài)非常脆弱，只出現(xiàn)在最干凈的材料中。

“因此，對 FQHS 的觀察通常被視為二維材料的一個重要里程碑——只有最干凈的電子系統(tǒng)才能達到這一目標，”哥倫比亞工程學院機械工程教授王芳仁指出。

雖然石墨烯是最著名的二維材料，但在過去 10 年中已經(jīng)確定了大量類似的材料，所有這些材料都可以剝離到單層厚度。其中一類材料是過渡金屬二硫?qū)倩?TMD)，例如 WSe2，即這項新研究中使用的材料。像石墨烯一樣，它們可以被剝離成原子級的薄，但與石墨烯不同的是，它們在磁場下的特性要簡單得多。挑戰(zhàn)在于 TMD 的晶體質(zhì)量不是很好。

“自從 TMD 出現(xiàn)以來，它一直被認為是一種帶有許多缺陷的骯臟材料，”Hone 說，他的團隊對 TMD 的質(zhì)量進行了重大改進，將其推向接近石墨烯的質(zhì)量——通常被認為是二維材料純度的最終標準。

除了樣品質(zhì)量之外，半導體二維材料的研究也因難以實現(xiàn)良好的電接觸而受到阻礙。為了解決這個問題，哥倫比亞大學的研究人員還一直在開發(fā)通過電容測量電子特性的能力，而不是傳統(tǒng)的電流和電阻測量方法。這種技術(shù)的一個主要好處是測量對不良電接觸和材料中的雜質(zhì)都不那么敏感。這項新研究的測量是在國家高磁場實驗室在非常大的磁場下進行的，這有助于穩(wěn)定 FQHS。

“我們觀察到的表征 FQHS 的分數(shù)——粒子與磁通量數(shù)的比率——遵循一個非常簡單的序列，”該論文的第一作者、哥倫比亞納米計劃的博士后研究員史千輝說。“簡單的序列與一般的理論預期一致，但所有以前的系統(tǒng)都表現(xiàn)出更復雜和更不規(guī)則的行為。這告訴我們，我們終于有了一個近乎理想的 FQHS 研究平臺，可以直接將實驗與簡單模型進行比較。”

在小數(shù)中，其中之一的分母為偶數(shù)。“觀察分數(shù)量子霍爾效應本身就令人驚訝，看到這些設備中的偶分母狀態(tài)確實令人驚訝，因為以前這種狀態(tài)只在最好的設備中觀察到，”迪恩說。

具有偶數(shù)分母的分數(shù)態(tài)自 1980 年代后期首次被發(fā)現(xiàn)以來就受到了特別關注，因為它們被認為代表了一種新型粒子，其量子特性不同于宇宙中任何其他已知粒子。“這些奇異粒子的獨特特性，”利茲大學理論物理學副教授 Zlatko Papic 指出，“可用于設計不受多種錯誤來源影響的量子計算機。”

到目前為止，理解和利用偶數(shù)分母狀態(tài)的實驗努力受到它們的極端敏感性和可以找到這種狀態(tài)的極少數(shù)材料的限制。“這使得在一個新的——不同的——材料平臺中發(fā)現(xiàn)偶數(shù)分母狀態(tài)，真的非常令人興奮，”迪恩補充道。

哥倫比亞大學的兩個實驗室——Dean Lab 和 Hone Group——與提供一些材料的 NIMS Japan 和 Papic 合作，后者的團隊對實驗進行了計算建模。兩個哥倫比亞實驗室都是該大學材料研究科學與工程中心的一部分。該項目還使用了哥倫比亞納米計劃和城市學院的潔凈室設施。大磁場測量是在國家高磁場實驗室進行的，這是一個由國家科學基金會資助的用戶設施，總部位于佛羅里達州塔拉哈西的佛羅里達州立大學。

現(xiàn)在研究人員擁有非常干凈的二維半導體以及有效的探針，他們正在探索從這些二維平臺中出現(xiàn)的其他有趣的狀態(tài)。

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