Физики управляли квантовой симметрией двухслойного графена

Ученые из США, Канады и Японии наблюдали дробный квантовый эффект Холла в двухслойном графене и показали возможность управления свойствами такого материала действием электрического поля. Свое исследование авторы опубликовали в статье в журнале Science.

Физикам удалось при помощи электрического поля управлять нарушениями симметрии в двухслойном графене. Помещая двухслойный графен перпендикулярно направлению линий электрического поля, исследователи наблюдали ряд фазовых переходов, меняющих свойства проводимости системы. В отличие от обычного (монослойного) графена, в двухслойном существует энергетическая щель (в которой не могут находится электроны с соответствующими значениями энергий), управляя шириной которой можно менять свойства проводника.

Двухслойный графен представляет собой пару сложенных один над другим монослоев графена. Слои расположены на расстоянии менее одного нанометра друг от друга, что позволяет электронам из одного слоя графена туннелировать в другой.

Туннелирование — преодоление частицей потенциального барьера (при наличии ненулевой вероятности), когда энергии частицы для этого недостаточно. Явление носит существенно квантовый характер — согласно классической физике, такой частице не удалось бы выйти из пределов потенциальной ямы.

Эффект Холла в классической электродинамике представляет собой возникновение разности потенциалов (напряжения) в поперечном сечении проводника с постоянным током при его помещении в магнитное поле. Квантовый эффект проявляется в двумерных структурах и связан с появлением дискретных (прерывных) уровней проводимости. Дробный квантовый эффект Холла, в отличие от целочисленного (нормального) квантового эффекта Холла, наблюдается в сильных магнитных полях и связан с ограниченными размерами потенциальной ямы и коллективным поведением электронов в проводнике, описываемым в терминах квазичастиц.

Ученые считают, что управление состояниями в двухслойном графене, возникающими при дробном квантовом эффекте Холла, при помощи электрического поля потенциально может найти применение в квантовый компьютерах. Физики связывают это с высокой степенью симметрии, имеющей место в исследуемом материале.