二维半导体被认为是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 . 们首先在单层二维半导体中观察到一种称为分数量子霍尔态(FQHS)的量子流体，这是物质最微妙的阶段之一。他们的发现证明了二维半导体出色的内部质量，并将其确立为未来量子计算应用的独特测试平台。这项研究今天在《自然纳米技术》在线发表。

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太乱，无法产生这种效果。”“此外，我们实验中的FQHS序列揭示了我们从未见过的意想不到且有趣的新行为，这实际上表明二维半导体是进一步研究FQHS的理想平台。”

分数量子霍尔态是一种集体现象，当研究人员限制电子在薄的二维平面内运动，并使其受到大磁场的影响时，就会发生这种现象。分数量子霍尔效应最早发现于1982年，至今已研究了40多年，但许多基本问题依然存在。其中一个原因是状态非常脆弱，只出现在最干净的材料中。

“因此，对FQHS的观测通常被视为二维材料的重要里程碑。只有最干净的电子系统才能实现这个目标，”哥伦比亚工程学院机械工程教授王说。

虽然石墨烯是最著名的二维材料，但在过去的10年里，已经鉴定出大量类似的材料，它们都可以剥离到单层厚度。一种材料是过渡金属二硫化物(TMD)，如WSe2，这是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一样薄，但与石墨烯不同，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有很多缺陷的脏材料，”Hone说，他的团队对TMD的质量进行了很大的改进，推动其接近石墨烯的质量。——通常被认为是二维材料纯度的最终标准。

除了样品质量，二维半导体材料的研究也受到阻碍，因为很难实现良好的电接触。为了解决这个问题，哥伦比亚大学的研究人员一直在开发通过电容来测量电子特性的能力，而不是传统的电流和电阻测量方法。这项技术的主要优点之一是测量对材料中的不良电接触和杂质不太敏感。这项新研究的测量是在国家强磁场实验室在非常大的磁场下进行的，这有助于稳定FQHS。

“表征FQHS的分数——，以及我们观察到的粒子数与磁通量的比值——，遵循一个非常简单的顺序，”这篇论文的第一作者、哥伦比亚纳米项目博士后研究员石说。“简单的序列符合一般的理论预期，但所有以前的系统都表现出更复杂和不规则的行为。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对比。”

在小数中，其中一个有偶数分母。迪恩说：“观察分数量子霍尔效应本身真的很神奇，在这些器件中看到偶数分母状态真的很神奇，因为这种状态以前只在最好的器件中观察到。

自20世纪80年代末首次发现以来，具有偶数分母的分数态就引起了人们的特别关注，因为它们被认为代表了一种新的粒子类型，并且它们的量子特性不同于宇宙中任何其他已知粒子的量子特性。利兹大学理论物理副教授兹拉特科帕皮克指出：“这些奇怪粒子的独特特性，可以用来设计不受许多误差来源影响的量子计算机。”

到目前为止，理解和利用偶数分母态的实验努力受到它们的极端敏感性和能够找到这种状态的少数材料的限制。“这使得在一个新的——不同的——材料平台中找到偶数分母状态变得非常令人兴奋，”Dean补充道。

哥伦比亚大学的两个实验室——Dean Lab和Hone Group——与NIMS Japan和Papic合作，他们提供了一些材料。后者的团队对实验进行了计算建模。哥伦比亚大学的两个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项目和城市学院的洁净室设施。大磁场的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，总部设在佛罗里达州塔拉哈西的佛罗里达州立大学。

现在研究人员有了非常干净的二维半导体和有效的探针，他们正在探索从这些二维平台中出现的其他有趣的状态。