Nadir kuantum durumu, çeyrek elektron yüküne sahip parçacıkları ortaya çıkarıyor

Bir elektronun yükü normalde sabittir, tıpkı paraya bölünemeyen bir para gibi. Ancak elektronlar mutlak sıfıra yakın bir yerde soğutulursa ve güçlü bir manyetik alan altında iki boyutlu bir katmanda hapsedilirse, bir elektronun yükünün yalnızca bir kısmını tutuyor gibi görünen kolektif bir “yarı parçacıklar” durumu halinde organize olurlar.

Bu durum “kesirli kuantum Hall etkisi” olarak bilinir. “Çift paydalı durumlar” olarak bilinen bu durumların az bir kısmı dikkat çekmiştir çünkü bazı teoriler, bunların “Abelian olmayan anyonlar” adı verilen olağandışı yarı parçacıklar içerebileceğini öngörmektedir.

Bunlar neden ilginç? Çünkü kuantum özellikleri onları hataya dayanıklı (hataya dayanıklı) topolojik kuantum bilgisayarlarda bilgi depolamak ve işlemek için aday yapar.

Şimdi, EPFL’den Mitali Banerjee, Weizmann Bilim Enstitüsü’nden Moty Heiblum ve Princeton Üniversitesi’nden Mansour Shayegan gruplarından bilim insanları, ν = 1/2 kesirli kuantum Hall durumu olarak bilinen böyle bir durumu incelediler. Optoelektronikte, kablosuz iletişimde ve hatta güneş panellerinde kullanılan bir malzeme olan galyum arsenitin geniş bir katmanında oluşur.

Çalışmaları şu adreste yayınlanıyor: Fiziksel İnceleme Mektupları.

Banerjee, “Bu alanın tarihinde ilk kez iki farklı grup (Weizmann ve EPFL) aynı kesirli yük değerlerini ölçtü” diyor.

Araştırmacılar ν = 1/2 durumuyla ilgili temel bir soruyu yanıtlamak için yola çıktılar: Yarı parçacıklar hangi yükü taşıyor? Bunu öğrenmek için 70 nanometre genişliğindeki galyum arsenit tabakasıyla sınırlı olan elektronları incelediler. Her cihaz “kuantum noktası teması” adı verilen dar bir daralma içeriyordu.

Kısıtlama, araştırmacıların cihaz içinde hareket eden kuasipartikülleri kısmen dağıtmasına ve ortaya çıkan “atış gürültüsünü” ölçmesine olanak sağladı. Akım kuantum nokta kontağından aktığında, bireysel yük taşıyıcıları yağmurun çatıya çarpması gibi rastgele, dur-kalk şeklinde geçer. Ortaya çıkan elektriksel “gürültü”nün boyutu, her bir taşıyıcının ne kadar yük taşıdığını ortaya koyuyor.

Araştırmacılar, farklı bir aşındırma yöntemi kullanarak nokta temasını oluşturdular ve ardından ne kadar akımın geçebileceğini ayarlamak için etrafına metal kapılar yerleştirdiler. Neredeyse aynı iki cihazı iki farklı laboratuvarda (biri EPFL’de ve diğeri Weizmann Enstitüsü’nde) test ettiler ve ilk olarak yöntemlerinin, tam bir elektronun yükleri ve bir elektronun üçte ikisinin bilinen durumlarını ölçerek çalıştığını doğruladılar.

Aynı tekniği ν = 1/2 durumuna uyguladıklarında her iki cihaz da aynı cevabı verdi: Parçacıklar bir elektronun yükünün dörtte birine çok yakın bir yük taşıyordu (bir cihazda 0,250 ± 0,013 ve diğerinde 0,249 ± 0,018). Her iki ölçüm de bir elektronun yükünün dörtte biri veya e/4 ile eşleşir.

Banerjee, “Bu önemlidir, çünkü burada incelenen kuantum Hall durumu, birkaç kelvin’e kadar hayatta kaldığı için özeldir ve galyum arsenitin, sonunda topolojik bir kuantum bilgisayarını mümkün kılabilecek özel Abelian olmayan özelliklere sahip olduğu bilinen yalnızca ikinci durum olduğu düşünülmektedir” diyor Banerjee.

“Abelyen olmayan durumlar, bilginin tek bir nokta yerine küresel geometride depolandığı yapısal bir plan gibi davranarak yerel yapısal kusurlardan veya gürültüden bağışıklık sağlar. Bu tür parçacıkları basitçe birbirlerinin etrafında hareket ettirerek hatasız kuantum bilgisayarlar oluşturabiliriz.”