Investigadores de la Universidad de Manchester en el Reino Unido, dirigidos por el Dr. Artem Mishchenko, el profesor Volodya Fal'ko y el profesor Andre Geim, han descubierto el efecto cuántico Hall en grafito a granel: un cristal en capas que consiste en capas de grafeno apiladas.un resultado inesperado porque el efecto Hall cuántico es posible solo en los llamados sistemas bidimensionales 2D donde el movimiento de los electrones está restringido a un plano y debe ser rechazado en la dirección perpendicular. También han encontrado que el material se comporta de manera diferente dependiendosobre si contiene un número impar o par de capas de grafeno, incluso cuando el número de capas en el cristal supera los cientos. El trabajo es un paso importante para la comprensión de las propiedades fundamentales del grafito, que a menudo se han entendido mal, especialmente en los últimos años.años.
En su trabajo, publicado en Física de la naturaleza , Mishchenko y sus colegas estudiaron dispositivos hechos de cristales de grafito escindidos, que esencialmente no contienen defectos. Los investigadores preservaron la alta calidad del material también encapsulándolo en otro material en capas de alta calidad: nitruro de boro hexagonal. Formaron sus dispositivosen una geometría de barra Hall, lo que les permitió medir el transporte de electrones en el grafito delgado.
"Las mediciones fueron bastante simples", explica el Dr. Jun Yin, el primer autor del artículo. "Pasamos una pequeña corriente a lo largo de la barra Hall, aplicamos un campo magnético fuerte perpendicular al plano de la barra Hall y luego medimos los voltajes generados a lo largo dea través del dispositivo para extraer resistividad longitudinal y resistencia Hall.
reducción dimensional
Fal'ko, quien dirigió la parte de la teoría, dijo: "Nos sorprendió bastante cuando vimos el efecto Hall cuántico QHE, una secuencia de mesetas cuantificadas en la resistencia Hall, acompañada de una resistividad longitudinal cero en nuestras muestras.son lo suficientemente gruesas como para comportarse como un semimetal a granel normal en el que QHE debería estar prohibido "
Los investigadores dicen que el QHE proviene del hecho de que el campo magnético aplicado obliga a los electrones en el grafito a moverse en una dimensión reducida, con la conductividad solo permitida en la dirección paralela al campo. Sin embargo, en muestras lo suficientemente delgadasEl movimiento tridimensional puede cuantificarse gracias a la formación de ondas electrónicas estacionarias. El material pasa de ser un sistema de electrones 3D a uno 2D con niveles de energía discretos.
El número par / impar de capas de grafeno es importante
Otra gran sorpresa es que este QHE es muy sensible al número par / impar de capas de grafeno. Los electrones en el grafito son similares a los del grafeno y vienen en dos "sabores" llamados valles. Las ondas estacionarias formadas por electrones dedos sabores diferentes se sientan en capas de grafito pares o impares. En películas con un número par de capas, el número de capas pares e impares es el mismo, por lo que las energías de las ondas estacionarias de diferentes sabores coinciden.
Sin embargo, la situación es diferente en películas con un número impar de capas, porque el número de capas pares e impares es diferente, es decir, siempre hay una capa impar adicional. Esto da como resultado los niveles de energía de las ondas estacionarias de diferenteslos sabores cambian uno con respecto al otro y significa que estas muestras han reducido las brechas de energía QHE. El fenómeno incluso persiste para el grafito de cientos de capas de espesor.
Observaciones del QHE fraccional
Los descubrimientos inesperados no terminaron allí: los investigadores dicen que también observaron el QHE fraccional en grafito delgado por debajo de 0,5 K. El FQHE es diferente del QHE normal y es el resultado de fuertes interacciones entre electrones. Estas interacciones, que a menudo pueden conducir aante fenómenos colectivos importantes como la superconductividad, el magnetismo y la superfluidez, hacen que los portadores de carga en un material FQHE se comporten como cuasipartículas con carga que es una fracción de la de un electrón.
"La mayoría de los resultados que hemos observado pueden explicarse usando un modelo simple de un solo electrón, pero ver el FQHE nos dice que la imagen no es tan simple", dice Mishchenko. "Hay muchas interacciones electrón-electrón en nuestro grafito".muestras en campos magnéticos altos y temperaturas bajas, lo que demuestra que la física de muchos cuerpos es importante en este material ".
volviendo al grafito
El grafeno ha estado en el centro de atención durante los últimos 15 años, y con razón, y el grafito fue retrasado un poco por su descendencia de una capa de grosor, agrega Mishchenko. "Ahora hemos vuelto a este viejo material. Conocimiento obtenido deLa investigación del grafeno, las técnicas experimentales mejoradas como la tecnología de ensamblaje de van der Waals y una mejor comprensión teórica nuevamente de la física del grafeno, ya nos han permitido descubrir este nuevo tipo de QHE en los dispositivos de grafito que fabricamos.
"Nuestro trabajo es un nuevo trampolín para futuros estudios sobre este material, incluida la física de muchos cuerpos, como ondas de densidad, condensación excitónica o cristalización de Wigner".
El grafito estudiado aquí tiene apilamiento natural Bernal, pero hay otro alótropo estable de grafito - romboédrico. No hay mediciones de transporte reportadas en este material hasta ahora, solo muchas predicciones teóricas, incluyendo superconductividad a alta temperatura y ferromagnetismoLos investigadores de Manchester dicen que ahora también planean explorar este alótropo.
"Durante décadas, los investigadores utilizaron el grafito como una especie de 'piedra filosofal' que puede transmitir todos los fenómenos probables e improbables, incluida la superconductividad a temperatura ambiente", agrega Geim con una sonrisa. "Nuestro trabajo muestra lo que, en principio, es posibleen este material, al menos cuando está en su forma más pura ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Manchester . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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