Odkryto nowe, grafenowe kwazicząsteczki. W przyszłości mogą powstać oparte na nich komputery nowej generacji

Inżynierowie z Uniwersytetu Manchesterskiego odkryli i scharakteryzowali nową rodzinę kwazicząsteczek zwaną fermionami Browna-Zaka, która występuje w supersieciach grafenowych. Ich zachowanie w polu magnetycznym daje nadzieję na opracowanie innowacyjnych układów elektronicznych wysokich częstotliwości. Komputery nowej generacji zbudowane dzięki temu odkryciu pozwolą szybciej i sprawniej wykonywać skomplikowane obliczenia.

Praca zaprezentowana przez naukowców z Uniwersytetu Manchesterskiego tłumaczy zachowanie elektronów w grafenowej supersieci. Dotychczas uważano, że elektrony w takiej supersieci zachowują się jak fermiony Diraca, czyli kwazicząsteczki wykazujące właściwości fotonów, które są pozbawione masy i mogą replikować się w wysokim polu magnetycznym.

– Powszechnie wiadomo, że w zerowym polu magnetycznym elektrony poruszają się po prostych trajektoriach, a jeśli zastosujesz pole magnetyczne, zaczną się zginać i poruszać się po okręgu – tłumaczy Julien Barrier z Uniwersytetu Manchesterskiego.

Takie podejście stało jednak w sprzeczności z niektórymi doświadczalnymi właściwościami tych cząsteczek. Nie pozwalało wyjaśnić ponadnormatywnej degeneracji stanów energetycznych czy wyliczyć faktycznej masy kwazicząsteczek w tym stanie. Odkrycie fermionów Browna-Zaka rzuciło nowe światło na supersieci grafenowe.

– W warstwie grafenu wzbogaconej azotkiem boru elektrony również zaczynają się zginać, ale po ustawieniu określonych wartości pola magnetycznego elektrony znów poruszają się po liniach prostych, tak jakby nie było już pola magnetycznego – wskazuje Julien Barrier.

Jak się okazało, jeśli przyjmiemy, że fermiony Browna-Zaka należą do rodziny kwazicząsteczek supersieci funkcjonujących w wysokim polu magnetycznym, można ustalić i zmierzyć ich liczbę kwantową. Dowiedziono także, że obniżenie temperatury pozwala zniwelować degenerację stanów energetycznych.

– Takie zachowanie elektronów radykalnie różni się od tego, co możemy przeczytać w podręcznikach fizyki – podkreśla dr Piranavan Kumaravadivel z Uniwersytetu Manchesterskiego.

– To fascynujące zachowanie elektronów przypisujemy tworzeniu się nowych kwazicząstek w wysokim polu magnetycznym – wskazuje dr Alexey Berdyugin, członek zespołu prowadzącego badania. – Te kwazicząstki mają własne unikatowe właściwości i wyjątkowo wysoką ruchliwość pomimo niezwykle wysokiego pola magnetycznego.

W trakcie eksperymentów testowano zachowanie kwazicząsteczek w wielkowymiarowych urządzeniach grafenowych o wysokim stopniu czystości, które wykazywały ruchliwość na poziomie kilku milionów cm²/Vs. Okazało się, że są one w stanie przebyć całą długość układu bez rozpraszania się.

Wykorzystanie tej wiedzy teoretycznej pozwoli stworzyć systemy elektroniczne o wysokiej mobilności, niezbędne do wytwarzania dwuwymiarowych układów wykonanych m.in. z jednoatomowej warstwy grafenowej. Odkrycie fermionów Browna-Zaka umożliwi przyspieszenie prac nad tranzystorami ultrawysokich częstotliwości wykorzystywanych na potrzeby stworzenia bardzo wydajnych procesorów grafenowych nowej generacji.

– Nasze odkrycie jest oczywiście ważne dla podstawowych badań transportu elektronów, ale wierzymy, że zrozumienie działania kwazicząstek w nowatorskich urządzeniach supersieciowych w wysokich polach magnetycznych może doprowadzić do opracowania nowych urządzeń elektronicznych – przekonuje Julien Barrier.

Według firmy badawczej Grand View Research wartość globalnego rynku grafenowego do 2025 roku wzrośnie do 550 mln dol. W najbliższych latach ma się rozwijać w tempie blisko 38 proc. w skali roku.