Un nuevo estudio revela una serie de estados Hall cuánticos que no se han visto anteriormente, arrojando nueva luz sobre la naturaleza de las interacciones electrónicas en los sistemas cuánticos y estableciendo una nueva plataforma potencial para futuras computadoras cuánticas.

Los investigadores de las universidades Brown y Columbia han demostrado estados de materia desconocidos que surgen en pilas de grafeno de doble capa, un nanomaterial bidimensional. Estos nuevos estados, manifestaciones de lo que se conoce como el efecto Hall cuántico fraccional, surgen de las complejas interacciones de los electrones tanto dentro de cada capa de grafeno como a través de las capas.

«Los hallazgos muestran que el apilamiento de materiales 2D juntos genera una física completamente nueva«, dijo Jia Li, profesor asistente de física en Brown, quien inició este trabajo como investigador postdoctoral en Columbia trabajando con Cory Dean, profesor de física y Jim Hone. , profesor de ingeniería mecánica. «En términos de ingeniería de materiales, este trabajo muestra que estos sistemas en capas podrían ser viables en la creación de nuevos tipos de dispositivos electrónicos que aprovechan estos nuevos estados de Hall cuánticos«.

La investigación se publica en la revista Nature Physics

El efecto Hall, descubierto en 1879, 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 una tensión en la dirección transversal llamada tensión de Hall. La fuerza de la tensión de Hall aumenta con la fuerza del campo magnético.

La versión cuántica del efecto Hall, cuyo descubrimiento en la década de 1980 recibió un Premio Nobel, se encontró en experimentos realizados a bajas temperaturas y con fuertes campos magnéticos. Los experimentos mostraron que, en lugar de aumentar suavemente con la intensidad del campo magnético, la tensión de Hall aumenta de forma 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.

Unos años más tarde, los investigadores que trabajaron a temperaturas cercanas al cero absoluto y con campos magnéticos muy fuertes encontraron nuevos tipos de estados Hall cuánticos en los que los pasos cuánticos en el voltaje de Hall corresponden a números fraccionarios, de ahí el nombre de efecto Hall cuántico fraccional. El descubrimiento del efecto Hall cuántico fraccional ganó otro Premio Nobel, en 1998. Más tarde, los teóricos postularon que el efecto Hall cuántico fraccional está relacionado con la formación de cuasi partículas denominadas fermiones compuestas. En este estado, cada electrón se combina con un cuanto de flujo magnético para formar un fermión compuesto que lleva una fracción de una carga de electrones, dando lugar a los valores fraccionarios en el voltaje de Hall.

La teoría fermión compuesta ha logrado explicar una gran cantidad 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 entre dos capas conduciría a un nuevo tipo de fermión compuesto, pero nunca se había observado en experimentos.

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 totalmente a partir de materiales 2D atómicamente planos. El núcleo de la estructura consistía en dos capas de grafeno separadas por una capa delgada de nitruro de boro hexagonal como barrera aislante. La estructura de doble capa fue 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 superar los límites de las estructuras de dispositivos más allá de lo que antes era posible«, dice Cory Dean, profesor de física en la Universidad de Columbia. “La precisión y la capacidad de ajuste con que podemos hacer estos dispositivos ahora nos permite explorar todo un ámbito de la física que recientemente se pensó que era totalmente inaccesible.»

Las estructuras de grafeno fueron luego expuestas a fuertes campos magnéticos, millones de veces más fuertes que el campo magnético de la Tierra.

La investigación produjo un rango de estados de Hall cuánticos fraccionarios, algunos de los cuales demuestran una excelente concordancia con el modelo compuesto de fermión, y algunos de los cuales nunca se habían predicho o visto.

«Aparte de los fermiones compuestos de capa intermedia, observamos otras características que no se pueden explicar dentro del modelo de fermión compuesto«, dijo Qianhui Shi, co-primer autor del artículo e investigador postdoctoral en la Universidad de Columbia. «Un estudio más cuidadoso reveló que, para nuestra sorpresa, estos nuevos estados resultan 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 Jim Hone, profesor de ingeniería mecánica en Columbia, «son varios estados nuevos que tienen el potencial de albergar funciones de onda no abelianas, estados que no se ajustan al modelo de fermión compuesto tradicional y que podría ser útil en hacer computadoras cuánticas ultrarrápidas”. En estados no abelianos, los electrones mantienen una especie de“ memoria ”de sus posiciones pasadas en relación entre sí. Eso tiene potencial para 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 estados no abelianos en 30 años«, dijo Dean. «Es realmente emocionante ver cómo emergen nuevos físicos a partir de nuestros experimentos«.

Otros coautores en el papel fueron Qianhui Shi, Yihang Zeng, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, James Hone y Cory Dean. La investigación fue apoyada por la National Science Foundation ( DMR-1507788), la Fundación David y Lucille Packard y el Departamento de Energía (DE-SC0016703). Los experimentos con campos magnéticos se realizaron en el Laboratorio Nacional de Campos Magnéticos Superiores en Tallahassee, Florida, una instalación de usuarios financiada a nivel nacional.

Via: https://www.brown.edu/news/2019-06-25/compfermion