Los investigadores de la Universidad de Columbia informan que han observado por primera vez en un semiconductor 2D de monocapa 2D un fluido cuántico conocido como estados Hall cuánticos fraccionales FQHS, una de las fases más delicadas de la materia. Sus hallazgos demuestran la excelente calidad intrínsecade semiconductores 2D y establecerlos como una plataforma de prueba única para futuras aplicaciones en computación cuántica. El estudio fue publicado en línea hoy en Nanotecnología de la naturaleza .
"Nos sorprendió mucho observar este estado en semiconductores 2D porque generalmente se supone que están demasiado sucios y desordenados para albergar este efecto", dice Cory Dean, profesor de física en la Universidad de Columbia. "Además, la secuencia FQHSen nuestro experimento revela un comportamiento nuevo inesperado e interesante que nunca hemos visto antes, y de hecho sugiere que los semiconductores 2D son plataformas cercanas al ideal para estudiar más los FQHS ".
El estado Hall cuántico fraccional es un fenómeno colectivo que se produce cuando los investigadores confinan electrones para moverse en un plano bidimensional delgado y los someten a grandes campos magnéticos. Descubierto por primera vez en 1982, se estudió el efecto Hall cuántico fraccional paradespués de más de 40 años, aún quedan muchas preguntas fundamentales. Una de las razones es que el estado es muy frágil y aparece solo en los materiales más limpios.
"La observación de la FQHS, por lo tanto, a menudo se ve como un hito significativo para un material 2D, uno que solo los sistemas electrónicos más limpios han alcanzado", señala Jim Hone, profesor de Ingeniería Mecánica Wang Fong-Jen en Columbia Engineering.
Si bien el grafeno es el material 2D más conocido, se ha identificado un gran grupo de materiales similares en los últimos 10 años, todos los cuales pueden exfoliarse hasta un espesor de capa única. Una clase de estos materiales son los dichoslcogenuros de metales de transición TMD, como WSe2, el material utilizado en este nuevo estudio. Al igual que el grafeno, pueden pelarse para que sean atómicamente delgados, pero, a diferencia del grafeno, sus propiedades bajo los campos magnéticos son mucho más simples. El desafío ha sido que la calidad cristalina de los TMDsno fue muy bueno
"Desde que TMD subió al escenario, siempre se pensó que era un material sucio con muchos defectos", dice Hone, cuyo grupo ha mejorado significativamente la calidad de los TMD, llevándolo a una calidad cercana al grafeno.a menudo se considera el estándar final de pureza entre los materiales 2D.
Además de la calidad de la muestra, los estudios de los materiales semiconductores 2D se han visto obstaculizados por las dificultades para hacer un buen contacto eléctrico. Para abordar esto, los investigadores de Columbia también han estado desarrollando la capacidad de medir propiedades electrónicas por capacitancia, en lugar de las convencionalesmétodos para hacer fluir una corriente y medir la resistencia. Un beneficio importante de esta técnica es que la medición es menos sensible tanto al mal contacto eléctrico como a las impurezas en el material. Las mediciones para este nuevo estudio se realizaron bajo campos magnéticos muy grandes.que ayudan a estabilizar el FQHS, en el Laboratorio Nacional de Alto Campo Magnético.
"Los números fraccionales que caracterizan el FQHS que observamos, las proporciones de la partícula al número de flujo magnético, siguen una secuencia muy simple", dice Qianhui Shi, primer autor del artículo e investigador postdoctoral en la Iniciativa Nano de Columbia."La secuencia simple es consistente con las expectativas teóricas genéricas, pero todos los sistemas anteriores muestran un comportamiento más complejo e irregular. Esto nos dice que finalmente tenemos una plataforma casi ideal para el estudio de FQHS, donde los experimentos se pueden comparar directamente con modelos simples".
Entre los números fraccionarios, uno de ellos tiene un denominador par. "Observar el efecto Hall cuántico fraccional fue sorprendente, ver el estado del denominador par en estos dispositivos fue realmente sorprendente, ya que anteriormente este estado solo se había observado en el mismoel mejor de los mejores dispositivos ", dice Dean.
Los estados fraccionarios con denominadores pares han recibido especial atención desde su primer descubrimiento a fines de la década de 1980, ya que se cree que representan un nuevo tipo de partícula, una con propiedades cuánticas diferentes a cualquier otra partícula conocida en el universo ". Las propiedades únicasde estas partículas exóticas ", señala Zlatko Papic, profesor asociado de física teórica en la Universidad de Leeds," podría usarse para diseñar computadoras cuánticas que estén protegidas de muchas fuentes de errores ".
Hasta ahora, los esfuerzos experimentales para comprender y explotar los estados del denominador par se han visto limitados por su extrema sensibilidad y el número extremadamente pequeño de materiales en los que se puede encontrar este estado ". Esto hace que el descubrimiento del estado del denominador par en unplataforma de material nueva y diferente, realmente muy emocionante ", agrega Dean.
Los dos laboratorios de la Universidad de Columbia, el Dean Lab y el Hone Group, trabajaron en colaboración con el NIMS Japan, que suministró algunos de los materiales, y Papic, cuyo grupo realizó modelos computacionales de los experimentos. Ambos laboratorios de Columbia son partedel Centro de Ciencia e Ingeniería de Investigación de Materiales de la universidad. Este proyecto también utilizó instalaciones de salas limpias tanto en la Iniciativa Nano de Columbia como en el Colegio de la Ciudad. Las mediciones en grandes campos magnéticos se realizaron en el Laboratorio Nacional de Campos Magnéticos Altos, una instalación para usuarios financiada por National ScienceFundación y con sede en la Florida State University en Tallahassee, Fl.
Ahora que los investigadores tienen semiconductores 2D muy limpios, así como una sonda efectiva, están explorando otros estados interesantes que emergen de estas plataformas 2D.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Columbia . Original escrito por Holly Evarts. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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