Графен может создавать на своих кромках новые экзотические квантовые состояния электронов

Новые исследования 2-D углеродного материала обнаруживают неожиданные свойства, которые могут открыть новые пути его применения

Дэвид Л. Чендлер, Отдел новостей Эм-Ай-Ти, 22 декабря 2013

Графен, вдруг став универсальным чудо-материалом, подвигнул множество учёных на исследования новых свойств этой двумерной решетки чистого углерода. И вот новые исследования, проведённые в Эм-Ай-Ти, выявили ещё некоторые потенциальные возможности этого материала. Они обнаружили у него неожиданные свойства, возникающие при определённых экстремальных условиях, которые можно было бы использовать в некоторых экзотических начинаниях, таких, например, как квантовые вычисления.

Результаты исследования были опубликованы на этой неделе в журнале Nature, в статье профессоров Пабло Харилло-Герреро (PabloJarillo-Herrero) и Рэя Ашури (RayAshoori), аспирантов Андреа Юнга (AndreaYoung), Бена Ханта (BenHunt), Хавьера Санчеса-Ямагучи (JavierSanchez-Yamaguchi) и троих других. Исследователи обнаружили, что в условиях экстремально мощного магнитного поля и экстремально низкой температуры графен способен эффективно разделять электроны по направлению их спинов, чего, вообще говоря, не способна сделать ни одна из обычных электронных систем.

В обычных условиях, листы графена ведут себя, как обычные проводники: стоит только подать напряжение, и ток потечет по всей двумерной пластине. Однако если включить перпендикулярно пластине графена магнитное поле, поведение изменится: ток потечет только вдоль кромок пластины, в то время как вся внутренняя площадь останется изолированной. Более того, этот ток потечет только в одном направлении — по часовой или против часовой стрелки, в зависимости от ориентации магнитного поля — в соответствии с явлением, известном как квантовый эффект Холла.

В процессе дальнейшей работы исследователи обнаружили, что если они одновременно на ту же плоскость подадут второе мощное магнитное поле, поведение снова изменится: электроны с одним направлением спина будут двигаться вдоль проводящей кромки в одном направлении, например, — по часовой стрелке, а электроны с противоположным направлением спина — против часовой.

«Мы создали вдоль этой кромки необычный вид проводника, — говорит Юнг, аспирант отделения физики Паппалардо при Эм-Ай-Ти и ведущий автол статьи, — это, практически, одномерный провод».

Разделение электронов по спинам — это «...нормальная особенность топологических изоляторов, — говорит он, — но графен — это не топологический изолятор. Мы ведь такой эффект получаем в материальных системах совершенно отличных от графена».

Более того, посредством изменения магнитного поля, «...мы можем эти краевые состояния включать и выключать», — говорит Юнг. Эта способность к переключению означает, что, в принципе, «...из них мы можем создавать такие микросхемы и транзисторы, — говорит он, — которые в обычных топологических изоляторах прежде были просто невозможны».

«Имеется и еще одно преимущество этой спиновой избирательности, — говорит Юнг. — Она предотвращает явление, называемое «обратным рассеянием». Это явление нарушает движение электронов. Поэтому, в данном случае, те несовершенства, которые обычно портят электронные свойства материалов, будут иметь лишь незначительный эффект. «Даже если края и «грязноваты» электроны переносятся вдоль них почти идеально», — говорит он.

Харилло-Герреро, адъюнкт-профессор физики отдела развития карьеры им. Мицуи (Mitsui) Эм-Ай-Ти, говорит, что поведение, которое наблюдалось в исследуемых графеновых листах, предсказывалось, но его никогда прежде не видели. «В этой работе, — говорит он, — впервые было продемонстрировано такое спин-селективное поведение на примере одного листа графена, а также впервые была показана способность «перехода между такими двумя режимами».

«Это, в конечном счете, может привести к новому направлению в создании определённого типа квантового компьютера, — говорит Харилло-Герреро, — что в течение десятилетий пытались сделать некоторые исследователи, но безуспешно».

«Однако из-за необходимости создания экстремальных условий, — говорит Юнг, — это будет весьма специализированная машина, используемая только для высоко приоритетных вычислительных задач, например, тех, которыми занимаются национальные лаборатории».

Профессор физики Ашури, указывает на то, что открытые новые краевые состояния обладают рядом удивительных свойств. Например, хотя золото — исключительно хороший электропроводник, его напыление на край графенового листа вызывает увеличение электрического сопротивления. Золотое напыление вызывает состояние обратного рассеяния электронов против движения, обусловленного краевым состоянием, из-за смешения спинов электронов — чем больше напыляется золота, тем больше возрастает сопротивление.

«Данное исследование представляет собой «новое направление» в теме топологических изоляторов, — говорит Юнг. — Мы действительно не знаем, чем это может закончиться, но это расширяет наше понимание возможных типов электрических устройств, которые мы сможем создать».

Эти эксперименты требуют использования магнитного поля с напряженностью 35 Тесла — «это, примерно, в 10 раз больше, чем в МРТ (магнитно-резонансном томографе, — говорит Харилло-Герреро, — а температура — всего на 0,3 градуса Цельсия выше абсолютного нуля. Однако наша команда уже ищет методы наблюдения аналогичного эффекта на магнитных полях всего в один Тесла — вроде сильного кухонного магнита — и при более высоких температурах.

Филипп Ким, профессор физики из Колумбийского университета, не участвовавший в данной работе, говорит: «В этом исследовании авторы изящно продемонстрировали замечательное квантование процесса проводимости, точно в соответствии с предсказанием теории». И добавил: «Это отличная работа, которая показывает взаимодействие физики топологических изоляторов с физикой графена. Эта работа — наглядный пример того, как два наиболее популярных направления физики твёрдого тела оказались тесно связаны друг с другом».

В эту команду также входят Санг Хен Цой младший (SangHyunChoi, junior), Кэндзи Ватанабэ (KenjiWatanabe), оба из Эм-Ай-Ти, и Такаси Танигути (TakashiTaniguchi) из Национального института материаловедения в Цукубе (Tsukuba), Япония. Работа выполнена при поддержке грантов от Министерства Энергетики США, Фонда Гордона и Бетти Мур (Gordon and Betty Moore Foundation), и Национального научного фонда, использованно оборудование Национальной Лаборатории высоких магнитных полей (National High Magnetic Field Laboratory), Флорида.