فیزیکدانان آمریکایی و آلمانی خاصیت شگفت دیگری از «ماده عجیب» گرافن کشف کردند. این یافته برای مطالعه همبستگی بین ذرات نسبیتی مهم است و حتی ممکن است به توسعه رایانه‌های کوانتومی کمک کند.
شگفتی کوانتومی دیگری در گرافن
فیزیکدانانی از آمریکا و آلمان خاصیت شگفت دیگری از «ماده عجیب» گرافن را کشف کردند -این ماده اثر هال کوانتومی کسری (FQHE) نشان می‌دهد که متفاوت از چیزی است که در مواد معمولی دیده می‌شود. این یافته برای مطالعه همبستگی بین ذرات نسبیتی مهم است و حتی ممکن است به توسعه رایانه‌های کوانتومی کمک کند.
FQHE هنگامی رخ می‌دهد که حامل‌های بار در یک صفحه دوبعدی، مانند گرافن، محبوس شوند و تحت تأثیر یک میدان مغناطیسی عمودی در راستای Z قرار گیرند. اگر جریانی در راستای X شارش یابد، یک ولتاژ – به‌نام ولتاژ هال- در جهت Y ایجاد می‌شود. در دماهای بسیار کم، این ولتاژ با مقادیر گسسته (حالت‌های هال) کوانتیزه می‌شود.
دماغه میکروسکوپ ترانزیستور تک الکترونی روبشی (SET)، که از پنجره چمبره خلا دیده می‌شود. این تصویر نشانگر نوک SET بالای نمونه گرافنی است.
FQHE با اثر هال کوانتومی صحیح تفاوت دارد و ناشی از برهمکنشهای قوی بین الکترون‌ها است که در بعضی مواد رخ می‌دهد. این برهمکنش‌ها باعث می‌شوند که حامل‌های بار در یک ماده FQHE مثل شبه‌ذرات باردار با باری که اندازه آن کسری از یک الکترون است رفتار کنند. این شبه‌ذرات با بار کسری از آمار کسری تبعیت می‌کنند، خاصیتی که ممکن است در توسعه رایانه‌های کوانتومی مفید باشد. علاوه‌بر FQHE، چنین برهمکنشهایی اغلب منجر پدیده‌های جمعی مهم مانند ابررسانایی، مغناطش، و ابرسیالی می‌شوند. بنابراین، فهم این برهمکنشهای قوی از اهمیت اساسی در فیزیک ماده چگال برخوردار است.
پژوهشگران قبلا نشان داده‌اند که حامل‌های بار نسبیتی در گرافن، به‌طور قوی با همدیگر برهم‌کنش دارند و این پدیده به‌صورت FQHE قابل آشکارسازی است. اکنون، امیر یعقوبی و همکارانش در دانشگاه هاروارد و موسسه ماکس پلانک در فیزیک حالت جامد نشان داده‌اند که FQHE در گرافن از سایر مواد متفاوت است.
یعقوبی توضیح داد: «ما یک سلسله نامعمول از حالت‌ها در گرافن یافتیم که نتیجه تقارن‌های موجود در ماده است. این حالت‌ها اطلاعاتی از تقابل تقارن‌ها و نیز برهمکنشهای الکترون- الکترون در گرافن به‌دست می‌دهند.»
این پژوهشگران نتایج‌شان را با استفاده از یک ترانزیستور تک الکترونی روبشی (SET) در کاوش نمونه‌های گرافنی معلق که تحت تاثیر میدان مغناطیسی قرار داشتند، به‌دست آوردند. بن فلدمن که عضو گروه است، گفت که SET یک نوع ویژه از کاوش موضعی غیرمخرب است. این دستگاه حضور گپ‌‌های انرژی را در طیف الکترونیکی مواد با حساسیتی که سایر تکنیک‌ها فاقد آن هستند، اندازه‌گیری می‌کند و برای کاوش پدیده‌هایی مانند FQHE ایده‌ال است.
او گفت: «یافته مهم دیگر ما این است که نواحی کوچک و بسیار تمیزی از گرافن وجود دارند، حتی هنگامی که نمونه‌های ماکروسکوپی نسبتا کثیف باشند. مطالعه گرافن با کاوشگر‌های موضعی ممکن است بینش‌های بیشتری از گرافن به‌دست دهد.»
این پژوهشگران جزئیات نتایج کار تحقیقاتی خود را در مجله‌ی Science منتشر کرده‌اند.
