آزمایش روی گرافن باعث حالتی نوظهور از جریان الکتریکی بدون مقاومت شد!

به گزارش مجله خبری نگار/برنا،پژوهشگران دانشگاه ایالتی فلوریدا در همکاری با MIT و مؤسسه ملی علوم مواد ژاپن به پدیده‌ای کاملاً غیرمنتظره در ساختار گرافن پنج‌لایه دست یافتند که می‌تواند راه را برای ساخت نسل آینده رایانه‌های کوانتومی کم‌مصرف و بدون خطا هموار کند.

به گزارش earth در این مطالعه که به سرپرستی ژنگ‌گوانگ لو استادیار فیزیک انجام شده پژوهشگران با سرد کردن دقیق فیلمی از گرافن چیده‌شده به‌صورت لایه‌ای تا دمای نزدیک به صفر مطلق، شاهد رفتاری عجیب از الکترون‌ها بودند؛ این الکترون‌ها در امتداد لبه‌های ساختار، طوری حرکت می‌کردند که گویی تنها بخشی از بار الکتریکی معمول خود را دارند. این رفتار عجیب، نشانه‌ای از ظهور فاز‌های الکترونیکی تازه‌ای است که باوری به اتلاف انرژی ندارند و تأثیری از میدان‌های مغناطیسی مزاحم نمی‌پذیرند.

گرافن همچنان دانشمندان را شگفت‌زده می‌کند

گرافن که از یک لایه اتمی کربن با ساختار شبکه‌ای شش‌ضلعی تشکیل شده به دلیل ساختار مسطح و سخت خود، امکان بروز پدیده‌های کوانتومی را در ابعاد ماکروسکوپی فراهم می‌کند. در این ساختار دوبعدی، حرکت الکترون‌ها محدود به همان صفحه است و در نتیجه، برهم‌کنش‌های ظریف کوانتومی که در مواد حجیم از بین می‌روند در گرافن تقویت می‌شوند.

در دهه اخیر مشخص شده که فشردن یا پیچ‌دادن گرافن می‌تواند منجر به ایجاد حالت‌های ابررسانایی، مغناطیسی یا عایق به‌صورت کنترل‌شده شود.

اثر کوانتومی هال بی‌نظیر و شگفتی جدید

مطالعه اخیر بر اثر کوانتومی هال بی‌نظیر (Quantum Anomalous Hall Effect) تمرکز دارد؛ حالتی که در آن جریان الکتریکی بدون هیچ مقاومتی در امتداد لبه ماده جاری می‌شود؛ حتی بدون وجود میدان مغناطیسی خارجی. اما شگفت‌انگیزتر آنجاست که دستگاه طراحی‌شده توسط تیم لو، به نسخه‌ای کسری از این اثر نیز وارد می‌شود؛ حالتی که قبلاً تصور می‌شد تنها در حضور میدان‌های مغناطیسی بسیار قوی ممکن است.

در این حالت الکتریسیته به‌گونه‌ای عجیب جریان می‌یابد و نتایج نشان می‌دهد که در برخی موارد، پنج الکترون رفتار‌هایی از خود نشان می‌دهند که گویی ۹ یا ۱۱ واحد بار را با هم تقسیم کرده‌اند. این پدیده به معنای آن است که الکترون‌ها دیگر به‌صورت مستقل عمل نمی‌کنند، بلکه تأثیرات قوی بر یکدیگر دارند.

جریان‌های لبۀ کسری در کنار "یخ الکترونی"

در حالی‌که نخستین نشانه‌های کسری شدن در گرافن پنج‌لایه در سال ۲۰۲۴ توسط تیمی از MIT گزارش شده بود، گروه تحقیقاتی لو نشان داده‌اند که این وضعیت عجیب، در کنار یک فاز دیگر از ماده به نام "کریستال الکترونی" نیز وجود دارد. تنها یک بازه محدود از ولتاژ گیت، این دو حالت را از هم جدا می‌کند.

تصویر کنید رودخانه‌ای از بار‌های کسری در میان ساحل‌هایی از بار‌های عدد صحیح در حال حرکت است؛ همین حالت را می‌توان از طریق مقاومت طولی نزدیک به صفر و سکو‌های پایداری در سیگنال هال مشاهده کرد.

لو می‌گوید: اگر بتوانیم اثر کسری کوانتومی هال بی‌نظیر را با ابررسانا‌ها ترکیب کنیم، رایانه‌های کوانتومی حاصل، نه‌تنها بسیار کارآمدتر از نسل فعلی خواهند بود، بلکه از خطا نیز مصون خواهند ماند.

کنترل‌پذیری بی‌سابقه از مایع تا جامد

اهمیت این هم‌زیستی دو حالت در این است که امکان دست‌کاری فاز الکترونی را فراهم می‌کند؛ می‌توان به‌سادگی و تنها با تنظیم میدان جابجایی، "یخ الکترونی" را ذوب کرده و به حالت رسانای مایع‌مانند درآورد، یا دوباره منجمدش کرد. این درجه از کنترل، رؤیای دیرینه فیزیک‌دانان ماده چگال بوده است.

حتی حالت جامدترِ این سیستم که با نام "اثر کوانتومی هال بی‌نظیر توسعه‌یافته" شناخته می‌شود، در بازه‌ای وسیع از چگالی، مقاومت الکتریکی صفر از خود نشان می‌دهد که نشانه‌ای از نظم‌های پنهانی است که نظریه‌پردازان تازه در حال شناسایی آن هستند.

جادوی تواستاترونیک و الگو‌های موآره

عنصر کلیدی در این معماری، الگوی «موآره» است؛ الگویی که زمانی شکل می‌گیرد که گرافن با لایه‌ای از نیترید بور شش‌ضلعی با زاویه‌ای اندک چرخیده ترکیب شود. این چیدمان باعث می‌شود چشم‌انداز الکترونیکی به‌طور کامل تغییر کند و حامل‌های بار آن‌قدر کند شوند که اثرات برهم‌کنش‌های دوجانبه الکترونی غالب شود.

این رویکرد که با نام تواستاترونیک شناخته می‌شود، کنترل فاز‌های الکترونیکی را مانند یک پیچ تنظیم دقیق امکان‌پذیر می‌کند. در دستگاه‌های ساخته‌شده توسط گروه لو، زاویه چرخش آن‌قدر کوچک است که الگوی موآره در فواصل چند نانومتری تکرار می‌شود و بستر لازم برای ایجاد باند‌های تخت و کسری‌شدن فراهم می‌آید.

از آنجا که پتانسیل موآره در برابر خمیدگی و کشیدگی مقاوم است، این دستگاه‌ها می‌توانند روی زیرلایه‌های انعطاف‌پذیر نیز قرار گیرند؛ رویکردی که در ساخت حسگر‌های خمیده یا سیم‌کشی‌های سرمازده‌ی مقاوم به میدان مغناطیسی کاربرد خواهد داشت.

افق کوانتومی بدون میدان مغناطیسی

مزیت اصلی بستر ارائه‌شده توسط گروه لو آن است که دیگر نیازی به میدان مغناطیسی برای ظهور رفتار کوانتومی نیست. این موضوع یک مانع دیرینه را برمی‌دارد، چرا که ابررسانا‌ها در حضور میدان‌های مغناطیسی از کار می‌افتند و نیازمند محافظت‌های پیچیده هستند.

در مقابل پشته‌ای از گرافن که همزمان از ابررسانایی و لبه‌های کسری در میدان صفر پشتیبانی می‌کند، امکان ساخت پیوند‌های جوزفسون را مستقیماً روی این ساختار فراهم می‌آورد و موجب می‌شود سخت‌افزار به اندازه تراشه‌های کلاسیک فشرده شود.

دما و تکرارپذیری

چالش فوری، اما دماست. در حال حاضر این دستگاه‌ها تنها در دما‌های زیر ۴۰ میلی‌کلوین (درجه‌ای بسیار نزدیک به صفر مطلق) کار می‌کنند که تنها با یخچال‌های رقیق‌ساز چندمیلیون‌دلاری قابل دستیابی است. مهندسان در حال آزمایش روش‌هایی برای بالابردن دمای بحرانی با استفاده از زیرلایه‌های مهندسی‌شده و دی‌الکتریک‌های با ثابت بالا هستند.

چالش دیگر، تکرارپذیری است. الگو‌های کسری تنها زمانی ظاهر می‌شوند که الگوی موآره تقریباً کامل باشد. برای همین، پژوهشگران در حال بهینه‌سازی روش‌های انتقال خشک هستند تا چین‌وچروک‌ها و آلودگی‌های سطح را به حداقل برسانند.

آینده ابررایانه‌ها و محاسبات کوانتومی مقاوم در برابر خطا

در حال حاضر، رایانه‌های کوانتومی با خطا‌های متعدد در هر میلیونیوم ثانیه مواجه‌اند. یکی از راه‌حل‌های پیشنهادی، استفاده از کیوبیت‌های توپولوژیک است که اطلاعات را در برانگیختگی‌های جمعی ذخیره می‌کنند و در برابر نویز‌های محلی مقاوم هستند.

حالت‌های کسری اثر کوانتومی هال بی‌نظیر، شرایط اولیه لازم برای این نوع از کیوبیت‌ها را دارند؛ آنها از شبه‌ذراتی مانند «انیون» (anyon) پشتیبانی می‌کنند که در هم‌تنیدگی‌شان منجر به اجرای گیت‌های منطقی می‌شود. در صورت ترکیب این حالت‌ها با ابررسانایی، انیون‌ها می‌توانند "غیرآبلی" (non-Abelian) شوند؛ به این معنا که تعویض دو شبه‌ذره، حالت کوانتومی کل سیستم را به‌طور دائمی تغییر می‌دهد.