Investigadores de las universidades de Brown y Columbia han demostrado estados de materia previamente desconocidos que surgen en pilas de grafeno de doble capa, un nanomaterial bidimensional. Estos nuevos estados, conocidos como el efecto Hall cuántico fraccional, surgen de las complejas interacciones de electronestanto dentro como a través de las capas de grafeno.
"Los hallazgos muestran que apilar materiales 2D juntos muy cerca genera física completamente nueva", dijo Jia Li, profesora asistente de física en Brown, quien inició este trabajo mientras trabajaba en un post-doctorado en Columbia trabajando con Cory Dean, profesor de físicay Jim Hone, profesor de ingeniería mecánica. "En términos de ingeniería de materiales, este trabajo muestra que estos sistemas en capas podrían ser viables para crear nuevos tipos de dispositivos electrónicos que aprovechen estos nuevos estados cuánticos de Hall".
La investigación se publica en la revista Física de la naturaleza .
Importante, dice Hone, profesor de Ingeniería Mecánica Wang Fong-Jen en Columbia Engineering, varios de estos nuevos estados cuánticos de Hall "pueden ser útiles para hacer computadoras cuánticas tolerantes a fallas"
El efecto Hall emerge cuando se aplica un campo magnético a un material conductor en una dirección perpendicular a un flujo de corriente. El campo magnético hace que la corriente se desvíe, creando un voltaje en la dirección transversal, llamado voltaje Hall. La fuerza deel voltaje Hall aumenta con la intensidad del campo magnético. La versión cuántica del efecto Hall se descubrió por primera vez en experimentos realizados en 1980 a bajas temperaturas y fuertes campos magnéticos. Los experimentos mostraron que, en lugar de aumentar suavemente con la intensidad del campo magnético, el Hallel voltaje aumenta de manera gradual o cuantificada. Estos pasos son múltiplos enteros de constantes fundamentales de la naturaleza y son completamente independientes de la composición física del material utilizado en los experimentos. El descubrimiento fue galardonado con el Premio Nobel de Física de 1985.
Unos años más tarde, los investigadores que trabajan a temperaturas cercanas al cero absoluto y con campos magnéticos muy fuertes encontraron nuevos tipos de estados cuánticos de Hall en los que los pasos cuánticos en el voltaje de Hall corresponden a números fraccionales, de ahí el nombre del efecto Hall cuántico fraccionario. El descubrimientodel efecto Hall cuántico fraccional ganó otro Premio Nobel, en 1998. Los teóricos postularon más tarde que el efecto Hall cuántico fraccional está relacionado con la formación de cuasi partículas llamadas fermiones compuestos. En este estado, cada electrón se combina con un cuanto de flujo magnético paraforman un fermión compuesto que transporta una fracción de una carga de electrones dando lugar a los valores fraccionales en el voltaje de Hall.
La teoría del fermión compuesto ha tenido éxito al explicar una miríada de fenómenos observados en sistemas de pozos cuánticos únicos. Esta nueva investigación utilizó grafeno de doble capa para investigar qué sucede cuando dos pozos cuánticos se juntan. La teoría había sugerido que la interacción entredos capas conducirían a un nuevo tipo de fermión compuesto, pero esto nunca se había observado en el experimento.
Para los experimentos, el equipo se basó en muchos años de trabajo en Columbia para mejorar la calidad de los dispositivos de grafeno, creando dispositivos ultra limpios enteramente de materiales 2D atómicamente planos. El núcleo de la estructura consiste en dos capas de grafeno separadas por una delgadacapa de nitruro de boro hexagonal como barrera aislante. La estructura de doble capa está encapsulada por nitruro de boro hexagonal como aislante protector y grafito como puerta conductora para cambiar la densidad del portador de carga en el canal.
"Una vez más, la increíble versatilidad del grafeno nos ha permitido ampliar los límites de las estructuras de los dispositivos más allá de lo que antes era posible", dice Dean, profesor de física en la Universidad de Columbia. "La precisión y capacidad de ajuste con los que podemos fabricar estos dispositivosahora nos permite explorar todo un ámbito de la física que recientemente se pensó que era totalmente inaccesible "
Las estructuras de grafeno se expusieron luego a campos magnéticos fuertes, millones de veces más fuertes que el campo magnético de la Tierra. La investigación produjo una gama de estados Hall cuánticos fraccionales, algunos de los cuales demuestran un excelente acuerdo con el modelo de fermión compuesto, y algunos que teníannunca ha sido predicho o visto.
"Además de los fermiones compuestos entre capas, observamos otras características que no se pueden explicar dentro del modelo de fermiones compuestos", dijo Qianhui Shi, coautor e investigador postdoctoral del artículo en Columbia. "Un estudio más cuidadoso reveló que, paranuestra sorpresa, estos nuevos estados son el resultado del emparejamiento entre fermiones compuestos. La interacción de emparejamiento entre capas adyacentes y dentro de la misma capa da lugar a una variedad de nuevos fenómenos cuánticos, haciendo del grafeno de doble capa una plataforma emocionante para estudiar ".
"De particular interés", dice Hone, "hay varios estados nuevos que tienen el potencial de albergar funciones de onda no abelianas, estados que no se ajustan exactamente al modelo tradicional de fermiones compuestos". En estados no abelianos, los electronesmantener una especie de "memoria" de sus posiciones pasadas entre sí. Eso tiene el potencial de habilitar computadoras cuánticas que no requieren corrección de errores, que actualmente es un obstáculo importante en el campo.
"Estos son los primeros nuevos candidatos para los estados no abelianos en 30 años", dijo Dean. "Es realmente emocionante ver emerger nueva física de nuestros experimentos".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Columbia . Original escrito por Kevin Stacey. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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