Meten van nieuwe quantumobjecten mogelijk met grafeen

Een derde elektron bestaat niet. Een derde van zijn elektrische lading blijkbaar wel. Onder extreme omstandigheden kunnen elektronen zich gezamenlijk gedragen alsof er nieuwe deeltjes ontstaan met precies zo’n fractionele lading. Onderzoekers van EPFL hebben een grafeenchip gebouwd die deze exotische deeltjes rechtstreeks kan meten – een techniek die ook interessant kan zijn voor toekomstige topologische quantumcomputers.

Een elektron geldt als een elementair deeltje met één vaste elektrische lading. Toch kunnen grote aantallen elektronen zich onder extreme omstandigheden collectief zo gedragen dat er nieuwe quantumobjecten ontstaan. Deze zogeheten quasideeltjes kunnen zich voordoen alsof ze slechts een fractie van de lading van een elektron dragen.

Dit verschijnsel treedt onder meer op bij het quantum-Hall-effect. Daarbij worden elektronen opgesloten in twee dimensies, sterk afgekoeld en blootgesteld aan een krachtig magnetisch veld. Hun gezamenlijke gedrag levert vervolgens nieuwe quantumtoestanden op. Het meten van de bijbehorende fractionele ladingen vraagt normaal gesproken om complexe experimenten. Onderzoekers van EPFL hebben nu laten zien dat dit ook mogelijk is met een relatief eenvoudige chip van dubbellaags grafeen.

Met het systeem maten de onderzoekers quasideeltjes met een derde van de lading van een elektron in verschillende quantum-Hall-toestanden. Daarnaast vonden ze ladingen van twee derde en drie vijfde van een elektron. Bij één toestand, aangeduid als 8/3, werden zelfs signalen van zowel een derde als twee derde gemeten.

Quantumcomputer

De fractionele ladingen zijn interessant omdat ze kenmerkend zijn voor topologische quantummaterie. Daarbij ontstaan bijzondere eigenschappen niet door individuele deeltjes, maar door het collectieve gedrag van grote aantallen deeltjes. Juist zulke toestanden worden onderzocht voor toekomstige quantumtechnologie. De grafeenchip van EPFL is daarvoor interessant omdat hij compact en elektrisch instelbaar is en gebruikmaakt van relatief eenvoudige geleidbaarheidsmetingen. Volgens de onderzoekers kan hetzelfde ontwerp bovendien worden toegepast op andere tweedimensionale materialen.

Op langere termijn zou de geometrie zelfs als bouwsteen voor een topologische quantumcomputer kunnen dienen. Voorlopig is de belangrijkste winst echter fundamenteler: een ingewikkeld quantumverschijnsel dat voorheen complexe meetopstellingen vereiste, kan nu met een kleine grafeenchip rechtstreeks elektrisch worden onderzocht.