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Partículas cuánticas exóticas: se requiere menos campo magnético

La investigación allana el camino para futuras aplicaciones y dispositivos cuánticos

Fecha :
15 de diciembre de 2021
Fuente :
Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson de Harvard
Resumen :
Los investigadores han observado estados fraccionarios exóticos en un campo magnético bajo en el grafeno bicapa retorcido por primera vez.
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Las partículas y los fenómenos cuánticos exóticos son como los atletas de élite más atrevidos del mundo. Al igual que los escaladores solitarios que escalan acantilados increíblemente empinados sin una cuerda o arnés, solo las condiciones más extremas los atraerán a aparecer. Para fenómenos exóticos como la superconductividado partículas que llevan una fracción de la carga de un electrón, lo que significa temperaturas extremadamente bajas o campos magnéticos extremadamente altos.

¿Pero qué pasaría si pudieras hacer que estas partículas y fenómenos aparecieran en condiciones menos extremas? Se ha hablado mucho del potencial de la superconductividad a temperatura ambiente, pero la generación de partículas exóticas con carga fraccionada en un campo magnético de bajo a cero es igualmente importante.al futuro de los materiales y aplicaciones cuánticos, incluidos los nuevos tipos de computación cuántica.

Ahora, un equipo de investigadores de la Universidad de Harvard dirigido por Amir Yacoby, profesor de Física y Física Aplicada en la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas SEAS John A. Paulson de Harvard y Ashvin Vishwanath, profesor de Física en el Departamento deLa física, en colaboración con Pablo Jarillo-Herrero en el Instituto de Tecnología de Massachusetts, ha observado estados fraccionarios exóticos en un campo magnético bajo en grafeno bicapa retorcido por primera vez.

La investigación se publica en Naturaleza.

"Uno de los santos griales en el campo de la física de la materia condensada es obtener partículas exóticas con un campo magnético de bajo a cero", dijo Yacoby, autor principal del estudio. "Ha habido predicciones teóricas de que deberíamos poder ver estaspartículas extrañas con un campo magnético de bajo a cero, pero nadie ha podido observarlo hasta ahora ".

Los investigadores estaban interesados ​​en un estado cuántico exótico específico conocido como aisladores Chern fraccionales. Los aisladores Chern son aislantes topológicos, lo que significa que conducen electricidad en su superficie o borde, pero no en el medio.

En un aislante Chern fraccional, las interacciones de electrones forman lo que se conoce como cuasipartículas, una partícula que surge de interacciones complejas entre un gran número de otras partículas. El sonido, por ejemplo, se puede describir como una cuasipartícula porque emerge de las interacciones complejas de partículasen un material. Al igual que las partículas fundamentales, las cuasipartículas tienen propiedades bien definidas como masa y carga.

En los aisladores Chern fraccionales, las interacciones de electrones son tan fuertes dentro del material que las cuasipartículas se ven obligadas a transportar una fracción de la carga de los electrones normales. Estas partículas fraccionales tienen propiedades cuánticas extrañas que podrían usarse para crear bits cuánticos robustos que son extremadamente resistentesa la interferencia externa.

Para construir su aislante, los investigadores utilizaron dos láminas de grafeno retorcidas juntas en el llamado ángulo mágico. La torsión desbloquea propiedades nuevas y diferentes en el grafeno, incluida la superconductividad, como descubrió por primera vez el grupo de Jarillo-Herrero en el MIT, y estados conocidoscomo bandas de Chern, que tienen un gran potencial para generar estados cuánticos fraccionarios, como lo muestra teóricamente el grupo de Vishwanath en Harvard.

Piense en estas bandas de Chern como cubos que se llenan de electrones.

"En estudios anteriores, necesitaba un gran campo magnético para generar estos cubos, que son los bloques de construcción topológicos que necesita para obtener estas exóticas partículas fraccionarias", dijo Andrew T. Pierce, un estudiante de posgrado en el grupo de Yacoby y co-primer autor del artículo. "Pero el grafeno bicapa con torsión de ángulo mágico ya tiene estas útiles unidades topológicas integradas en un campo magnético cero".

Para generar estados fraccionarios, los investigadores necesitan llenar los cubos una fracción del camino con electrones. Pero aquí está el problema: para que esto funcione, todos los electrones en un cubo deben tener casi las mismas propiedades. En el grafeno bicapa retorcido,En este sistema, los electrones tienen diferentes niveles de una propiedad conocida como curvatura de Berry, que hace que cada electrón experimente un campo magnético ligado a su momento particular es más complicado que eso, pero lo que no está en¿física cuántica?

Al llenar los cubos, la curvatura de la baya de los electrones debe nivelarse para que aparezca el estado del aislante Chern fraccional.

Ahí es donde un pequeño aplicado entra el campo magnético

"Demostramos que podemos aplicar un campo magnético muy pequeño para distribuir uniformemente la curvatura de Berry entre los electrones en el sistema, lo que nos permite observar un aislante Chern fraccional en el grafeno bicapa retorcido", dijo Yonglong Xie, becario postdoctoral en SEAS yco-primer autor del artículo. "Esta investigación arroja luz sobre la importancia de la curvatura de Berry para realizar estados exóticos fraccionados y podría apuntar a plataformas alternativas donde la curvatura de Berry no es tan heterogénea como lo es en el grafeno retorcido".

"El grafeno bicapa retorcido es el regalo que sigue dando y este descubrimiento de aisladores Chern fraccionales es posiblemente uno de los avances más significativos en el campo", dijo Vishwanath, autor principal del estudio. "Es asombroso pensar que estoEl material Wonder está hecho en última instancia del mismo material que la punta de tu lápiz ".

"El descubrimiento de aisladores Chern fraccionales de bajo campo magnético en grafeno bicapa retorcido de ángulo mágico abre un nuevo capítulo en el campo de la materia cuántica topológica", dijo Jarillo-Herrero, profesor de física de Cecil e Ida Green en el MIT y autor principal deel estudio. "Ofrece la perspectiva realista de acoplar estos estados exóticos con superconductividad, lo que posiblemente permita la creación y el control de cuasipartículas topológicas aún más exóticas conocidas como anyons".

La investigación fue coautora de Jeong Min Park, Daniel E. Parker, Eslam Khalaf, Patrick Ledwith, Yuan Cao, Seung Hwan Lee, Shaowen Chen, Patrick R. Forrester, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi.

Fue apoyado en parte por el Departamento de Energía de EE. UU., Oficina de Ciencias Energéticas Básicas, División de Ciencias e Ingeniería de Materiales bajo el premio DE-SC0001819, la Fundación Gordon y Betty Moore, la Fundación Nacional de Ciencias y la Fundación Simons.


Fuente de la historia :

Materiales proporcionado por Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson de Harvard . Original escrito por Leah Burrows. Nota: el contenido puede editarse por estilo y longitud.


Referencia de la revista :

  1. Xie, Y., Pierce, AT, Park, JM et al. Aisladores Chern fraccionales en grafeno bicapa retorcido de ángulo mágico . Naturaleza , DOI 2021 : 10.1038 / s41586-021-04002-3

cite esta página :

Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson de Harvard. "Partículas cuánticas exóticas; se requiere menos campo magnético: la investigación allana el camino para futuros dispositivos y aplicaciones cuánticas". ScienceDaily. ScienceDaily, 15 de diciembre de 2021. .
Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson de Harvard. 2021, 15 de diciembre. Partículas cuánticas exóticas: se requiere menos campo magnético: la investigación allana el camino para futuros dispositivos y aplicaciones cuánticas. ScienceDaily . Obtenido el 15 de diciembre de 2021 de www.science-things.com/releases/2021/12/211215113319.htm
Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson de Harvard. "Partículas cuánticas exóticas; se requiere menos campo magnético: la investigación allana el camino para futuras aplicaciones y dispositivos cuánticos". ScienceDaily. Www.science-things.com/releases/2021/12 / 211215113319.htm consultado el 15 de diciembre de 2021.

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