Onderzoekers van de École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) zijn erin geslaagd om quasipartikels met een fractionele lading van $e/4$ te lokaliseren in dubbellaags grafeen. Deze ontdekking is een cruciale stap in het begrijpen van de topologie van kwantumtoestanden en de ontwikkeling van fouttolerante kwantumcomputers.
In een recent onderzoek, gepubliceerd op 27 augustus 2026 via arxiv.org, beschrijven wetenschappers hoe zij een specifieke opstelling hebben gebruikt om de lading van quasipartikels te meten in zogenaamde 'even-denominator fractional quantum Hall' (FQH) toestanden. Het team, waaronder Mitali Banerjee en Mario Di Luca, maakte gebruik van een door poorten gedefinieerde 'antidot' in dubbellaags grafeen. Door een extra poort toe te voegen waarmee specifiek het potentiaal van deze antidot kon worden beheerst, slaagden zij erin de lading van de rondom de antidot gevangen quasipartikels te bepalen.
Meting van fractionele ladingen
De resultaten van het experiment tonen een gelokaliseerde lading van $e/4$ bij de toestanden $\nu=-5/2$, $-1/2$ en $3/2$. Volgens de auteurs van het is deze waarde consistent met de minimale excitatie die wordt verwacht voor de belangrijkste kandidaat-grondtoestanden met een even noemer. Daarnaast observeerden de onderzoekers een lading van $e/3$ bij de hole-conjugate toestand $\nu=2/3$.
Het onderzoek richt zich op het identificeren van de topologie van de grondtoestand. De mogelijkheid om deze quasipartikels te lokaliseren rond een quantum Hall antidot wordt in de publicatie beschreven als een noodzakelijk ingrediënt voor topologische kwantumcomputatie.
Overgang tussen transportregimes
De onderzoekers ontdekten verder dat wanneer de koppeling tussen de aan de antidot gebonden toestanden en de uitgebreide randtoestanden wordt vergroot, er een overgang (crossover) plaatsvindt tussen twee verschillende regimes. Deze regimes worden gekenmerkt door de periode van de poortspanning: enerzijds de periode van de minimale excitatie en anderzijds een periode die daar ongeveer tweemaal zo groot is.
In de discussie over deze waarneming worden twee mogelijke verklaringen aangedragen: het zogenaamde 'quasiparticle bunching' (het samenklonteren van quasipartikels) of een overgang tussen verschillende transportregimes van de antidot.
Context en bredere implicaties
De resultaten sluiten aan bij bredere trends in het onderzoek naar exotische deeltjes in grafeen. Zo meldde nature.com in een briefing van 21 augustus 2026 dat antidots in dubbellaags grafeen worden ingezet om anyonische ladingen te meten, waarbij de pariteit van downstream integer edge modes de waargenomen lading bepaalt. Anyonen zijn fractioneel geladen quasipartikels die essentieel kunnen zijn voor de toekomst van kwantumtechnologie.
Eerder in het jaar, op 7 januari 2026, schreef nature.com over het waarnemen van robuuste interferentiepatronen in dubbellaags grafeen, wat wijst op de aanwezigheid van non-Abeliaanse anyonen. Het beheersen van deze interferentie is een fundamentele stap richting het bouwen van kwantumcomputers die bestand zijn tegen fouten.
De huidige bevindingen van het EPFL-team, gecombineerd met eerdere observaties van 'daughter states', suggereren dat de even-denominator FQH-toestanden in dubbellaags grafeen compatibel zijn met een non-Abeliaanse grondtoestand. Dit versterkt de theoretische basis voor het gebruik van grafeen in geavanceerde kwantumsystemen.