Investigadores de las universidades de Brown y Columbia han demostrado estados de la materia previamente desconocidos que surgen en pilas de grafeno de doble capa. un nanomaterial bidimensional. Estos nuevos estados, conocido como el efecto Hall cuántico fraccional, surgen de las complejas interacciones de los electrones tanto dentro como a través de las capas de grafeno.

"Los hallazgos muestran que apilar materiales 2-D juntos en estrecha proximidad genera una física completamente nueva, "dijo Jia Li, profesor asistente de física en Brown, quien inició este trabajo mientras era un postdoctorado 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 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 .

En tono rimbombante, dice Hone, Wang Fong-Jen, profesor de ingeniería mecánica en Columbia Engineering, varios de estos nuevos estados cuánticos de Hall "pueden ser útiles para fabricar computadoras cuánticas tolerantes a fallas".

El efecto Hall surge 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 del voltaje Hall aumenta con la fuerza 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 fuerza del campo magnético, el voltaje Hall aumenta de forma escalonada (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 despues, 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 fraccionarios. de ahí el nombre de efecto Hall cuántico fraccional. El descubrimiento del 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 para formar un fermión compuesto que lleva una fracción de la carga de un electrón que da lugar a los valores fraccionarios del voltaje de Hall.

La teoría del fermión compuesto ha tenido éxito en 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 acercan. La teoría había sugerido que la interacción entre dos capas conduciría a un nuevo tipo de fermión compuesto, pero esto 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 ultralimpios enteramente a partir de materiales bidimensionales atómicamente planos. El núcleo de la estructura consta de dos capas de grafeno separadas por una fina capa 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 sintonía con la que podemos hacer estos dispositivos ahora nos permite explorar todo un reino 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 una gama de estados Hall cuánticos fraccionarios, algunos de los cuales demuestran una excelente concordancia con el modelo de fermiones compuestos, y algunos que nunca se habían predicho o visto.

"Aparte de los fermiones compuestos entre capas, Observamos otras características que no se pueden explicar dentro del modelo de fermiones compuesto, "dijo Qianhui Shi, co-primer autor del artículo e investigador postdoctoral en 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 interesante 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 del todo al modelo tradicional de fermiones compuestos". En los estados no abelianos, los electrones mantienen una especie de "memoria" de sus posiciones pasadas entre sí. Eso tiene potencial para habilitar computadoras cuánticas que no requieren corrección de errores, que actualmente es un gran obstáculo en el campo.

"Estos son los primeros candidatos nuevos para estados no abelianos en 30 años, "Dijo Dean." Es realmente emocionante ver surgir nueva física de nuestros experimentos ".

El estudio se titula "Estados de emparejamiento de fermiones compuestos en grafeno de doble capa".