Grafen jako potencjalny materiał do budowy komputerów kwantowych
Jednym z najbardziej intrygujących zjawisk fizyki materii skondensowanej jest ułamkowy kwantowy efekt Halla, egzotyczny stan elektronowy, którego fazy wydają się posiadać odpowiednie właściwości do budowy topologicznego komputera kwantowego. Jego to własność zbiorowego stanu, w którym elektrony wiążą linie strumienia magnetycznego, tworząc nowe kwazicząstki, a wzbudzenia mają ułamkowy ładunek podstawowy i być może także odznaczają się statystyką ułamkową. Ostatnie badania dostarczają dowodów na występowanie ułamkowego kwantowego efektu Halla w grafenie, co oznaczałoby, że nadaje się on do budowy szybkich komputerów kwantowych. Grafen to niezwykły dwuwymiarowy materiał, w którym zachodzą unikatowe i zaskakujące efekty wielociałowe wynikające z silnych oddziaływań między elektronami. Zainteresowani potencjałem grafenu w zakresie przyszłych technologii elektronicznych naukowcy rozpoczęli realizację projektu EXOTICPHASES4QIT (Exotic quantum phases in graphene and other modern nanomaterials - Physical foundation for quantum information technology). Zespół zastosował zaawansowane metody obliczeniowe do modelowania struktury elektronowej i efektów wielociałowych w nanostrukturalnym grafenie o określonym kształcie i rodzaju krawędzi. Celem było zbadanie pojawiania się egzotycznych faz elektronowych. Naukowcy przeprowadzili także badania porównawcze ułamkowego kwantowego efektu Halla w grafenie oraz w konwencjonalnych półprzewodnikach. Wyniki tych prac przynoszą informacje na temat właściwości magnetycznych wieloelektronowych nanostruktur grafenowych oraz na temat roli degeneracji pseudospinu i różnych pseudopotencjałów oddziaływania w półprzewodnikach. Uczeni opracowali także model opisujący spin i pseudospiny w układach ułamkowego kwantowego efektu Halla. Były to między innymi kompozytowe fermiony — stany związane elektronów i wirów wieloelektronowych — przenoszące ładunki ułamkowe i przejawiające nieabelową statystykę kwantową. Model umożliwił też poszerzenie wiedzy na temat nieściśliwości kilku etapów ułamkowego kwantowego efektu Halla dla współczynników wypełnienia 3/8 i 4/11. Owocem projektu EXOTICPHASES4QIT jest 15 publikacji, które ukazały się w prestiżowych międzynarodowych czasopismach, oraz 7 wykładów wygłoszonych na konferencjach.
Słowa kluczowe
Grafen, komputery kwantowe, stany egzotyczne, ułamkowy kwantowy efekt Halla, zjawiska wielociałowe
