二维半导体被发现是接近理想的分数量子霍尔平台

哥伦比亚大学的研究人员报告说，他们首次在单层二维半导体中观察到了一种称为分数量子霍尔态 (FQHS) 的量子流体，这是物质最微妙的相之一。他们的发现证明了二维半导体卓越的内在质量，并将其确立为未来量子计算应用的独特测试平台。该研究今天在线发表在《自然纳米技术》上。

哥伦比亚大学物理学教授科里·迪恩 (Cory Dean) 说：“我们非常惊讶地观察到二维半导体中的这种状态，因为人们普遍认为它们太脏和无序，无法产生这种效应。” “此外，我们实验中的 FQHS 序列揭示了我们以前从未见过的意外和有趣的新行为，实际上表明二维半导体是进一步研究 FQHS 的接近理想的平台。”

分数量子霍尔态是一种集体现象，当研究人员限制电子在一个薄的二维平面中移动，并使它们受到大磁场的影响时，就会出现这种现象。分数量子霍尔效应于 1982 年首次被发现，已经研究了 40 多年，但许多基本问题仍然存在。造成这种情况的原因之一是状态非常脆弱，只出现在最干净的材料中。

“因此，对 FQHS 的观察通常被视为二维材料的一个重要里程碑——只有最干净的电子系统才能达到这一目标，”哥伦比亚工程学院机械工程教授王芳仁指出。

虽然石墨烯是最著名的二维材料，但在过去 10 年中已经确定了大量类似的材料，所有这些材料都可以剥离到单层厚度。其中一类材料是过渡金属二硫属化物(TMD)，例如 WSe2，即这项新研究中使用的材料。像石墨烯一样，它们可以被剥离成原子级的薄，但与石墨烯不同的是，它们在磁场下的特性要简单得多。挑战在于 TMD 的晶体质量不是很好。

“自从 TMD 出现以来，它一直被认为是一种带有许多缺陷的肮脏材料，”Hone 说，他的团队对 TMD 的质量进行了重大改进，将其推向接近石墨烯的质量——通常被认为是二维材料纯度的最终标准。

除了样品质量之外，半导体二维材料的研究也因难以实现良好的电接触而受到阻碍。为了解决这个问题，哥伦比亚大学的研究人员还一直在开发通过电容测量电子特性的能力，而不是传统的电流和电阻测量方法。这种技术的一个主要好处是测量对不良电接触和材料中的杂质都不那么敏感。这项新研究的测量是在国家高磁场实验室在非常大的磁场下进行的，这有助于稳定 FQHS。

“我们观察到的表征 FQHS 的分数——粒子与磁通量数的比率——遵循一个非常简单的序列，”该论文的第一作者、哥伦比亚纳米计划的博士后研究员史千辉说。“简单的序列与一般的理论预期一致，但所有以前的系统都表现出更复杂和更不规则的行为。这告诉我们，我们终于有了一个近乎理想的 FQHS 研究平台，可以直接将实验与简单模型进行比较。”

在小数中，其中之一的分母为偶数。“观察分数量子霍尔效应本身就令人惊讶，看到这些设备中的偶分母状态确实令人惊讶，因为以前这种状态只在最好的设备中观察到，”迪恩说。

具有偶数分母的分数态自 1980 年代后期首次被发现以来就受到了特别关注，因为它们被认为代表了一种新型粒子，其量子特性不同于宇宙中任何其他已知粒子。“这些奇异粒子的独特特性，”利兹大学理论物理学副教授 Zlatko Papic 指出，“可用于设计不受多种错误来源影响的量子计算机。”

到目前为止，理解和利用偶数分母状态的实验努力受到它们的极端敏感性和可以找到这种状态的极少数材料的限制。“这使得在一个新的——不同的——材料平台中发现偶数分母状态，真的非常令人兴奋，”迪恩补充道。

哥伦比亚大学的两个实验室——Dean Lab 和 Hone Group——与提供一些材料的 NIMS Japan 和 Papic 合作，后者的团队对实验进行了计算建模。两个哥伦比亚实验室都是该大学材料研究科学与工程中心的一部分。该项目还使用了哥伦比亚纳米计划和城市学院的洁净室设施。大磁场测量是在国家高磁场实验室进行的，这是一个由国家科学基金会资助的用户设施，总部位于佛罗里达州塔拉哈西的佛罗里达州立大学。

现在研究人员拥有非常干净的二维半导体以及有效的探针，他们正在探索从这些二维平台中出现的其他有趣的状态。

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