شگفتی کوانتومی دیگری در گرافن ‏

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.‏

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.‏

filereader.php?p1=main_3b9050f1dc255c49f
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.‏