Ontgrendeling van stralingsvrije kwantumtechnologie met grafeen

“Zware fermionen” zijn een aantrekkelijke theoretische manier om kwantumverstrengelde verschijnselen te produceren, maar werden tot voor kort vooral waargenomen in gevaarlijk radioactieve verbindingen. Een nieuw papier binnen Fysieke beoordelingsbrieven heeft aangetoond dat het mogelijk is om zware fermionen te maken in subtiel gemodificeerd grafeen, wat veel goedkoper en veiliger is.

Zeldzame-aardeverbindingen fascineren onderzoekers al tientallen jaren vanwege de unieke kwantumeigenschappen die ze vertonen, die tot nu toe totaal buiten het bereik van alledaagse verbindingen zijn gebleven. Een van de meest opmerkelijke en exotische eigenschappen van die materialen is de opkomst van exotische supergeleidende toestanden, en met name de supergeleidende toestanden die nodig zijn om toekomstige topologische kwantumcomputers te bouwen. Hoewel deze specifieke zeldzame-aardeverbindingen, bekend als zware fermion-supergeleiders, al tientallen jaren bekend zijn, is het een kritisch open uitdaging gebleven om er bruikbare kwantumtechnologieën van te maken. Dit komt omdat deze materialen kritisch radioactieve verbindingen bevatten, zoals uranium en plutonium, waardoor ze beperkt bruikbaar zijn in echte kwantumtechnologieën.

Nieuw onderzoek heeft nu een alternatieve manier onthuld om de fundamentele verschijnselen van deze zeldzame-aardeverbindingen uitsluitend met grafeen te construeren, dat geen van de veiligheidsproblemen heeft van traditionele zeldzame-aardeverbindingen. Het opwindende resultaat in het nieuwe artikel laat zien hoe een kwantumtoestand die bekend staat als een “zwaar fermion” kan worden geproduceerd door drie gedraaide grafeenlagen te combineren. Een zwaar fermion is een deeltje – in dit geval een elektron – dat zich gedraagt ​​alsof het veel meer massa heeft dan het in werkelijkheid doet. De reden waarom het zich op deze manier gedraagt, komt voort uit unieke kwantum veel-lichaamseffecten die tot nu toe meestal alleen werden waargenomen in zeldzame aardverbindingen. Het is bekend dat dit gedrag van zware fermionen de drijvende kracht is achter de verschijnselen die nodig zijn om deze materialen te gebruiken voor topologische kwantumcomputers. Dit nieuwe resultaat demonstreert een nieuwe, niet-radioactieve manier om dit effect te bereiken met alleen koolstof, waardoor een pad wordt geopend voor het duurzaam exploiteren van zware fermionfysica in kwantumtechnologieën.

In het artikel geschreven door Aline Ramires, (Paul Scherrer Institute, Zwitserland) en Jose Lado (Aalto University), laten de onderzoekers zien hoe het mogelijk is om zware fermionen te maken met goedkope, niet-radioactieve materialen. Hiervoor gebruikten ze grafeen, een koolstoflaag van één atoom dik. Ondanks dat het chemisch identiek is aan het materiaal dat in gewone potloden wordt gebruikt, betekent de sub-nanometer dikte van grafeen dat het onverwacht unieke elektrische eigenschappen heeft. Door de dunne lagen koolstof op elkaar te leggen in een specifiek patroon, waarbij elk vel ten opzichte van het andere wordt geroteerd, kunnen de onderzoekers het kwantumeigenschappen-effect creëren dat ertoe leidt dat de elektronen in het grafeen zich gedragen als zware fermionen.

“Tot nu toe zijn praktische toepassingen van zware fermion-supergeleiders voor topologische kwantumcomputing niet veel nagestreefd, deels omdat er verbindingen voor nodig waren die uranium en plutonium bevatten, verre van ideaal voor toepassingen vanwege hun radioactieve karakter”, zegt professor Lado. “In dit werk laten we zien dat je kunt streven naar exact dezelfde fysica, alleen met grafeen. Terwijl we in dit werk alleen de opkomst van zwaar fermiongedrag laten zien, is het aanpakken van de opkomst van topologische supergeleiding een natuurlijke volgende stap, die mogelijk zou kunnen hebben een baanbrekende impact voor topologische kwantumcomputers.”

Topologische supergeleiding is een onderwerp van cruciaal belang voor kwantumtechnologieën, ook aangepakt door alternatieve strategieën in andere artikelen van de Aalto University Department of Applied Physics, waaronder een eerder artikel van professor Lado. “Deze resultaten bieden mogelijk een op koolstof gebaseerd platform voor de exploitatie van zware fermionfenomenen in kwantumtechnologieën, zonder dat er zeldzame aardelementen nodig zijn”, concludeert professor Lado.