Un equipo dirigido por Cory Dean, profesor asistente de física en la Universidad de Columbia, y James Hone, profesor de ingeniería mecánica Wang Fong-Jen en Columbia Engineering, ha observado definitivamente una anomalía intensamente estudiada en física de materia condensada, el denominador parestado Hall cuántico fraccional FQH - a través de la medición de transporte en grafeno bicapa. El estudio se publica en línea hoy en ciencia número del 6 de octubre.
"Observar el estado 5/2 en cualquier sistema es una oportunidad científica notable, ya que abarca algunos de los conceptos más desconcertantes en la física moderna de la materia condensada, como la emergencia, la formación de cuasi-partículas, la cuantización e incluso la superconductividad", Deandice: "Nuestra observación de que, en el grafeno bicapa, el estado 5/2 sobrevive a temperaturas mucho más altas de lo que se creía posible no solo nos permite estudiar este fenómeno de nuevas maneras, sino que también cambia nuestra visión del estado FQH de ser en gran medida uncuriosidad científica por tener ahora un gran potencial para aplicaciones del mundo real, particularmente en computación cuántica "
Descubierto por primera vez en la década de 1980 en heteroestructuras de arseniuro de galio GaAs, el estado de sala cuántica fraccional 5/2 sigue siendo la excepción singular a la regla estricta que dice que los estados de sala cuántica fraccional solo pueden existir con denominadores impares. Poco después del descubrimiento,El trabajo teórico sugirió que este estado podría representar un tipo exótico de superconductor, notable en parte por la posibilidad de que tal fase pudiera permitir un enfoque fundamentalmente nuevo para la computación cuántica. Sin embargo, la confirmación de estas teorías ha permanecido esquiva, en gran parte debido a la naturaleza frágildel estado; en GaAs es observable solo en muestras de la más alta calidad e incluso en temperaturas milikelvin hasta 10,000 veces más frío que el punto de congelación del agua.
El equipo de Columbia ahora ha observado este mismo estado en el grafeno bicapa y aparece a temperaturas mucho más altas, alcanzando varios Kelvin ". Si bien todavía es 100 veces más frío que el punto de congelación del agua, al abrir el estado del denominador par a estas temperaturas se abrela puerta a un nuevo conjunto de herramientas experimentales que antes eran impensables ", dice Dean." Después de varias décadas de esfuerzo por parte de investigadores de todo el mundo, finalmente podemos estar cerca de resolver el misterio del 5/2 ".
Uno de los problemas pendientes en el campo de la física moderna de la materia condensada es comprender el fenómeno de "emergencia", el resultado de una gran colección de partículas cuánticas que se comportan en concierto debido a las interacciones entre las partículas y dan lugar a nuevas características que sonno es una característica de las partes individuales. Por ejemplo, en los superconductores, una gran cantidad de electrones colapsan en un solo estado cuántico, que luego puede propagarse a través de un metal sin ninguna pérdida de energía. El efecto Hall cuántico fraccional es otro estado en el que los electronescoludir entre sí, en presencia de un campo magnético, lo que resulta en cuasipartículas con propiedades cuánticas potencialmente exóticas.
Muy difícil de predecir teóricamente, la emergencia a menudo desafía nuestra comprensión fundamental de cómo se comportan las partículas. Por ejemplo, dado que dos electrones tienen la misma carga, pensamos en los electrones como objetos que quieren repelerse entre sí. Sin embargo, en un metal superconductor, los electrones se emparejan inesperadamente, formando un nuevo objeto conocido como par de cobre. Los electrones individuales se dispersan cuando se mueven a través de un metal, dando lugar a resistencia, pero los pares de cobre formados espontáneamente se comportan colectivamente de tal manera que se mueven a través del material sin resistencia.en absoluto.
"Piense en tratar de abrirse paso entre una multitud en un concierto de rock donde todos bailan con mucha energía y constantemente chocan contra usted, en comparación con una pista de baile de salón donde parejas de bailarines se mueven en el mismo, con cuidadocoreografiado, y es fácil evitarse el uno al otro ", dice Dean." Una de las razones que hace que el efecto Hall cuántico fraccionario de denominador par sea tan fascinante es que se cree que su origen es muy similar al de un superconductor, pero, en lugar de simplemente formar pares de cobre, emerge un tipo completamente nuevo de partículas cuánticas "
Según la mecánica cuántica, las partículas elementales se dividen en dos categorías, Fermiones y Bosones, y se comportan de maneras muy diferentes. Dos Fermiones, como los electrones, no pueden ocupar el mismo estado, por lo que, por ejemplo, los electrones en los átomos se llenanorbitales sucesivos. Los bosones, como los fotones, o partículas de luz, pueden ocupar el mismo estado, permitiéndoles actuar de manera coherente como en la emisión de luz de un láser. Cuando se intercambian dos partículas idénticas, la función de onda mecánica cuántica describe su combinaciónel estado se multiplica por un factor de fase de 1 para Bosons y -1 para Fermions.
Poco después del descubrimiento del efecto de sala cuántica fraccional, se sugirió por razones teóricas que las cuasipartículas asociadas con este estado no se comportan como bosones ni fermiones, sino como lo que se llama anyon: cuando las cuasipartículas anyon se intercambian, el factor de fase esni 1 ni -1, pero es fraccionario. A pesar de varias décadas de esfuerzo, todavía no hay pruebas experimentales concluyentes que confirmen que estas cuasipartículas son anyons. El estado 5/2 "un noon abeliano" se cree que es aún más exótico.Según la teoría, los anyons no abelianos obedecen las estadísticas anyónicas como en otros estados Hall cuánticos fraccionarios, pero con la característica especial de que esta fase no se puede deshacer simplemente invirtiendo el proceso. Esta incapacidad para desenrollar la fase simplemente haría que cualquier información almacenada en el sistema sea únicaestable, y es por eso que muchas personas creen que el 5/2 podría ser un gran candidato para la computación cuántica.
"La demostración de las estadísticas 5/2 predichas representaría un logro tremendo", dice Dean. "En muchos aspectos, esto confirmaría que, al fabricar un sistema de material con el grosor adecuado y la cantidad correcta de electrones, yluego, aplicando los campos magnéticos correctos, podríamos diseñar efectivamente clases de partículas fundamentalmente nuevas, con propiedades que de otro modo no existirían entre las partículas conocidas que se encuentran naturalmente en el universo. Todavía no tenemos evidencia concluyente de que el estado 5/2 muestre no abelianopropiedades, pero nuestro descubrimiento de este estado en el grafeno bicapa abre nuevas y emocionantes oportunidades para probar estas teorías ".
Hasta ahora, todas esas condiciones han tenido que ser no solo correctas sino también extremas. En los semiconductores convencionales, los estados de denominador par son muy difíciles de aislar y existen solo para materiales ultrapuros, a niveles extremadamente bajostemperaturas y campos magnéticos elevados. Si bien ciertas características del estado han sido observables, idear experimentos que podrían investigar el estado sin destruirlo, ha sido un desafío.
"Necesitábamos una nueva plataforma", dice Hone. "Con el aislamiento exitoso del grafeno, estas capas atómicamente delgadas de átomos de carbono surgieron como una plataforma prometedora para el estudio de electrones en 2D en general. Una de las claves es que los electronesen el grafeno interactúan aún más fuertemente que en los sistemas convencionales de electrones 2D, haciendo teóricamente que los efectos como el estado del denominador par sean aún más robustos, pero si bien se han pronosticado que el grafeno bicapa podría albergar los estados del denominador par largamente buscado, a temperaturas más altasde lo visto anteriormente, estas predicciones no se han cumplido debido principalmente a la dificultad de hacer que el grafeno esté lo suficientemente limpio "
El equipo de Columbia se basó en muchos años de trabajo pionero para mejorar la calidad de los dispositivos de grafeno, creando dispositivos ultra limpios completamente de materiales 2D atómicamente planos: grafeno bicapa para el canal conductor, nitruro de boro hexagonal como aislante protector y grafito utilizadopara conexiones eléctricas y como puerta conductora para cambiar la densidad del portador de carga en el canal.
Un componente crucial de la investigación fue tener acceso a las herramientas de campos magnéticos altos disponibles en el Laboratorio Nacional de Campo Magnético Alto en Tallahassee, Florida, una instalación de usuarios financiada a nivel nacional con la que Hone y Dean han tenido una amplia colaboración. Estudiaron la electricidad.conducción a través de sus dispositivos bajo campos magnéticos de hasta 34 Tesla, y logró una observación clara de los estados de denominador par.
"Al inclinar la muestra con respecto al campo magnético, pudimos proporcionar una nueva confirmación de que este estado FQH tiene muchas de las propiedades predichas por la teoría, como la polarización por rotación", dice Jia Li, autor principal del artículo.e investigador postdoctoral que trabaja con Dean y Hone. "También descubrimos que en el grafeno bicapa, este estado puede manipularse de formas que no son posibles en materiales convencionales".
El resultado del equipo de Columbia, que demuestra la medición en el transporte, cómo fluyen los electrones en el sistema, es un paso crucial hacia adelante para confirmar el posible origen exótico del estado de denominador par. Sus hallazgos se informan simultáneamente con un informe similar por parte de ungrupo de investigación de la Universidad de California, Santa Bárbara. El estudio de la UCSB observó el estado del denominador par mediante la medición de capacitancia, que prueba la existencia de una brecha eléctrica asociada con el inicio del estado.
El equipo espera que las mediciones robustas que han observado ahora en el grafeno bicapa permitirán nuevos experimentos que puedan probar definitivamente su naturaleza no abeliana. Una vez que esto se establezca, el equipo espera comenzar a demostrar la computación usando el estado del denominador par.
"Desde hace muchas décadas se ha pensado que si el estado 5/2 representa un anyon no abeliano, en teoría podría revolucionar los esfuerzos para construir una computadora cuántica", observa Dean. "En el pasado, sin embargo, ellas condiciones extremas necesarias para ver el estado en absoluto, y mucho menos usarlo para el cálculo, siempre fueron una gran preocupación de practicidad. Nuestros resultados en el grafeno bicapa sugieren que este sueño puede no estar tan lejos de la realidad ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionados por Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Columbia . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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