Grafeenissa ensi kertaa todennettu Wignerin hila vie kohti uutta kvanttilaskentaa

Nobel-palkittu Eugen Wigner ennusti 1930-luvulla Wignerin hilan, ja Aalto-yliopiston tutkijat onnistuivat nyt ensimmäistä kertaa havainnoimaan Wignerin hilan grafeenissa usealla eri mittaustavalla. Tutkimus toteutettiin vapaasti ripustetussa grafeenissa, jossa yhden atomikerroksen paksuinen kalvo oli tuettu vain päistään.

Wignerin hila on elektronien sähköisestä hylkivästä vuorovaikutuksesta syntynyt järjestäytynyt faasi. Matalissa lämpötiloissa ja korkeissa magneettikentissä kaksiulotteisen harvan elektronikaasun elektronit voivat asettua paikoilleen muodostaen kiinteitä kristalliitteja, ja edelleen Wignerin hilan.

Wignerin hila grafeenissa mahdollistaa uuden alustan, jolla voidaan tutkia elektronien järjestäytymistä. Mahdollinen sovelluskohde voi löytyä esimerkiksi kvanttilaskennasta. Sopivissa olosuhteissa vapaasti ripustettu grafeeni voi mahdollistaa palmikoimisen, partikkeleiden siirtelyn paikasta toiseen ja toistensa ympäri - vastaavalla tavalla kuin Microsoftin tutkijat suunnittelevat tekevänsä Majorana-partikkeleiden kanssa.

”Palmikoimisen lopputulos riippuu siitä, miten siirtoja tehdään. Anyonien, bosonien ja fermionien välimaastoon jäävien partikkelien palmikointi aiheuttaa vaihesiirron kvanttimekaniikan aaltofunktioon, ja tätä ominaisuutta voidaan käyttää hyväksi kvanttilaskennassa”, sanoo tutkijatohtori Antti Laitinen.

Vapaasti ripustettua grafeenia voi käyttää myös ultraherkkiin kaasudetektoreihin, mutta niiden yleistymistä rajoittaa erikoisprosessointi ja vaikea hallittavuus grafeenin vapaan ripustettavuuden vuoksi. Vahva eletroni-elektroni vuorovaikutus tekee vapaasti ripustetusta grafeenista houkuttelevan alustan myös 2D-olomuodon muutosten tutkimiselle sekä uusissa järjestäytyneissä faaseissa ilmaantuvien, emergenttien, partikkelien löytämiselle.

Vahvoja vuorovaikutuksia elektronien välillä

Aalto-yliopiston kokeissa tutkittavat, ripustetut grafeenilaitteet hyödyntävät Corbino-geometriaa, jossa yhden atomikerroksen paksuinen, renkaan muotoinen grafeenilastu tuetaan ulko- ja sisäreunalta metallielektrodeilla. Grafeeni riippuu vapaasti reunojen välillä. Tämä geometria mahdollistaa grafeenin virran ja jännitteen suhteen tutkimisen korkeassa magneettikentässä ilman reunatilojen vaikutusta johtavuuteen.

Aiemmin Wignerin hilaa on voitu tutkia vain Gallium Arsenidi -pohjaisissa puolijohdelaitteissa, joissa tasomainen, 2D-elektronikaasu tehdään tarkan kerroksittaisen kasvatuksen avulla. Grafeenille taas on luontaista rypistyminen ja epäjärjestys – stabiilius saatiin tutkimuksessa aikaan reunakiinnityksillä. Tutkimus paljastikin aikaisempia vahvempia vuorovaikutuksia elektronien välillä.

”Wignerin hilan järjestäytymislämpötila on noin yksi kelvin, mikä on huomattavasti korkeampi kuin tavanomaisilla puolijohdepohjaisilla Wignerin hiloilla. Vuorovaikutus on suurempi tässä systeemissä, koska siinä ei ole substraattimateriaalia, joka heikentäisi elektronien välisiä vuorovaikutuksia”, sanoo Aalto-yliopiston professori Pertti Hakonen.

Vuorovaikutuksen heikentyminen puolijohdelaitteissa on seurausta substraattiin kerääntyvästä positiivisesta varauksesta, mistä johtuen substraatti vetää elektroneja puoleensa. Tätä ei voi erottaa suorasta, hylkivästä elektroni-elektroni -vuorovaikutuksesta.

Lisätietoa:

Artikkeli

Kylmälaboratorio

OtaNANO infrastruktuuri

Kuva: Elektronimikroskooppikuva Corbino-laitteesta: vihreäksi väritettyyn grafeeniin havaittiin muodostuvan elektronikide, kaksi-dimensioinen Wignerin hila, joka koostui noin 20 kristalliitista. Kuva: Antti Laitinen.