Teóricos de la Universidad de Texas en Dallas, junto con colegas en Alemania, han observado por primera vez un fenómeno raro llamado efecto Hall anómalo cuántico en un material muy simple. Experimentos anteriores lo han detectado solo en materiales complejos o delicados.
El Dr. Fan Zhang, profesor asociado de física en la Facultad de Ciencias Naturales y Matemáticas, es autor de un estudio publicado el 6 de octubre en la revista Naturaleza que demuestra el comportamiento exótico del grafeno bicapa, que es una capa delgada de dos átomos de carbono de origen natural dispuesta en dos celosías de panal apiladas.
El efecto Hall cuántico es un fenómeno macroscópico en el cual la resistencia transversal en un material cambia por valores cuantificados de manera escalonada. Ocurre en sistemas de electrones bidimensionales a bajas temperaturas y bajo fuertes campos magnéticos. En ausencia de uncampo magnético, sin embargo, un sistema 2D puede generar espontáneamente su propio campo magnético, por ejemplo, a través de un ferromagnetismo orbital que se produce por interacciones entre electrones. Este comportamiento se denomina efecto Hall anómalo cuántico.
"Cuando se investigó previamente el raro efecto Hall cuántico anómalo, los materiales estudiados eran complejos", dijo Zhang. "Por el contrario, nuestro material es comparativamente simple, ya que solo consta de dos capas de grafeno y se produce de forma natural".
El Dr. Thomas Weitz, autor del estudio y profesor de la Universidad de Göttingen, dijo: "Además, encontramos de manera bastante contradictoria que, aunque se supone que el carbono no es magnético o ferroeléctrico, observamos firmas experimentales consistentes con ambos. "
En una investigación publicada en 2011, Zhang, un físico teórico, predijo que el grafeno bicapa tendría cinco estados fundamentales en competencia, los estados más estables del material que ocurren a una temperatura cercana al cero absoluto menos 273,15 grados Celsius o menos 459,67 grados Fahrenheit.Estos estados son impulsados por la interacción mutua de electrones cuyo comportamiento está gobernado por la mecánica cuántica y la estadística cuántica.
"Predijimos que habría cinco familias de estados en el grafeno bicapa que competirían entre sí por ser el estado fundamental. Se han observado cuatro en el pasado. Este es el último y el más difícil de observar", dijo Zhang..
En experimentos descritos en el Naturaleza artículo, los investigadores encontraron ocho estados fundamentales diferentes en esta quinta familia que exhiben el efecto Hall anómalo cuántico, ferromagnetismo y ferroelectricidad simultáneamente.
"También demostramos que podíamos elegir entre este octeto de estados fundamentales aplicando pequeños campos eléctricos y magnéticos externos, así como controlando el signo de los portadores de carga", dijo Weitz.
La capacidad de controlar las propiedades electrónicas del grafeno bicapa en un grado tan alto podría convertirlo en un candidato potencial para futuras aplicaciones de información cuántica de baja disipación, aunque Zhang y Weitz dijeron que están interesados principalmente en revelar la "belleza de la física fundamental"."
"Predijimos, observamos, aclaramos y controlamos un octeto de Hall anómalo cuántico, donde tres fenómenos cuánticos sorprendentes ferromagnetismo, ferroelectricidad y efecto Hall cuántico de campo cero pueden coexistir e incluso cooperar en el grafeno bicapa", dijo Zhang.Ahora sabemos que podemos unificar el ferromagnetismo, la ferroelectricidad y el efecto Hall anómalo cuántico en este material simple, que es asombroso y sin precedentes ".
Otros autores del Naturaleza el artículo incluye al estudiante de doctorado en física de UT Dallas Tianyi Xu e investigadores de la Universidad de Göttingen y la Universidad Ludwig Maximilian de Munich.
La investigación de Zhang está financiada por el Laboratorio de Investigación del Ejército del Comando de Desarrollo de Capacidades de Combate del Ejército de EE. UU. Y la Fundación Nacional de Ciencias.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Texas en Dallas . Original escrito por Amanda Siegfried. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
Los astrónomos pueden haber descubierto un planeta fuera de nuestra galaxia
Extrañas ondas de radio surgen de la dirección del Centro Galáctico
¿Venus alguna vez tuvo océanos?
Secretos de la telaraña de las arañas revelados
Las diferencias de las células cerebrales podrían ser clave para el aprendizaje en humanos y en IA