کار آن‌ها، که در مجله Nature منتشر شده، کشف اثر هال کوانتومی غیرعادی کسری را در یک ساختار گرافن پنج‌لایه توصیف می‌کند، حالتی نادر از ماده که بدون میدان مغناطیسی خارجی رخ می‌دهد. این یک پیشرفت قابل‌توجه است زیرا پیش‌بینی‌های نظری را تأیید می‌کند و راه‌های جدیدی برای کاربردهای فناوری کوانتومی باز می‌کند.

جزئیات علمی

گرافن لایه‌ای تک‌اتمی از اتم‌های کربن است که در یک شبکه لانه‌زنبوری چیده شده‌اند و به دلیل خواص الکتریکی قابل‌توجهش شناخته شده است. در این مطالعه، استاد لو و تیمش پنج لایه گرافن را به‌گونه‌ای خاص، شبیه به پله‌های یک راه‌پله، روی هم قرار دادند تا شرایط لازم برای اثر هال کوانتومی غیرعادی کسری را ایجاد کنند.

لو گفت: بار کسری بسیار عجیب است، و حالا ما می‌توانیم این اثر را با سیستمی بسیار ساده‌تر و بدون میدان مغناطیسی محقق کنیم. این به‌خودی‌خود برای فیزیک بنیادی مهم است. معمولاً اثر هال کوانتومی کسری، که در آن الکترون‌ها به کسرهایی از بار خود تقسیم می‌شوند، به میدان‌های مغناطیسی قوی نیاز دارد، مانند میدان‌هایی ۱۰ برابر قوی‌تر از دستگاه MRI. بااین‌حال، نسخه غیرعادی مشاهده‌شده در اینجا به‌صورت خودبه‌خود در ساختار گرافن رخ می‌دهد و آن را به بستری عملی‌تر برای کاربردهای محاسبات کوانتومی تبدیل می‌کند. عدم نیاز به میدان مغناطیسی سیستم را ساده‌تر می‌کند و پتانسیل آن را برای ساخت رایانه‌های کوانتومی مقاوم و تحمل‌پذیر در برابر خطا افزایش می‌دهد.

پیامدها و آینده

این کشف می‌تواند راه را برای محاسبات کوانتومی توپولوژیک هموار کند، نوعی از محاسبات کوانتومی مقاوم‌تر که از بارهای کسری به‌عنوان کیوبیت‌ها، واحدهای اساسی رایانه‌های کوانتومی، استفاده می‌کند.

برخلاف محاسبات کوانتومی سنتی، محاسبات کوانتومی توپولوژیک کمتر در معرض نویز محیطی قرار دارد که می‌تواند محاسبات را مختل کند. لو گفت: این گرافن پنج‌لایه سیستمی است که شگفتی‌های زیادی در آن رخ می‌دهد.

یافته‌های این تیم بر اساس اکتشافات اخیر در گرافن، از جمله اکتشافات دانشگاه واشنگتن، بنا شده و اولین تأیید اثر هال کوانتومی غیرعادی کسری در گرافن بلوری را نشان می‌دهد. تیم لو اکنون در حال کاوش راه‌هایی برای جفت‌سازی این بارهای کسری با ابررسانایی است تا حالت‌های عجیب‌تری مانند آنیون‌ها ایجاد کند، که می‌توانند به‌عنوان کیوبیت‌های بسیار پایدار برای رایانه‌های کوانتومی آینده عمل کنند.