Una ilustración del efecto Hall cuántico 3D. Bajo efectos de interacción mejorados, los electrones forman una onda de densidad de carga especial a lo largo del campo magnético aplicado. El interior se vuelve aislante, mientras que la conducción es a través de la superficie del material. Crédito:Wang Guoyan y He Cong
El efecto Hall cuántico (QHE), que anteriormente era conocido por sistemas bidimensionales (2-D), Bertrand Halperin predijo que sería posible para sistemas tridimensionales (3-D) en 1987, pero la teoría no fue probada hasta hace poco por investigadores de la Universidad de Tecnología y Diseño de Singapur (SUTD) y sus colaboradores de investigación de todo el mundo.
El efecto Hall, una técnica fundamental para la caracterización de materiales, ocurre cuando un campo magnético desvía el flujo de electrones hacia los lados y conduce a una caída de voltaje en la dirección transversal. En 1980, Los investigadores hicieron una observación sorprendente al medir el efecto Hall para un gas de electrones bidimensional (2-D) atrapado en una estructura semiconductora:la resistividad de Hall medida mostró una serie de meseta completamente plana, cuantificado a valores con una precisión notable de una parte en 10 mil millones. Esto se conoció como QHE.
Desde entonces, QHE ha revolucionado la comprensión fundamental de la física de la materia condensada, generando un vasto campo de investigación en física. Muchos temas emergentes nuevos, como materiales topológicos, también se remonta a él.
Poco después de su descubrimiento, Los investigadores buscaron la posibilidad de generalizar QHE de sistemas 2-D a tres dimensiones (3-D). Bertrand Halperin predijo que un efecto tan generalizado, llamado 3-D QHE, de hecho es posible en un artículo seminal publicado en 1987. A partir del análisis teórico, Dio firmas para 3-D QHE y señaló que las interacciones mejoradas entre los electrones bajo un campo magnético pueden ser la clave para impulsar un material metálico al estado 3-D QHE.
Han pasado 30 años desde la predicción de Halperin, y si bien se han realizado esfuerzos continuos para realizar QHE 3-D en el experimento, La evidencia clara ha sido esquiva debido a las estrictas condiciones requeridas para 3-D QHE:el material debe ser muy puro, tener alta movilidad, y baja densidad de portadores.
Colaborador experimental de SUTD, la Universidad de Ciencia y Tecnología del Sur (SUSTech) en China, ha estado trabajando en un material único conocido como ZrTe 5 desde 2014. Este material puede satisfacer las condiciones requeridas y exhibir las firmas de 3-D QHE.
En el artículo de investigación publicado en Naturaleza , los investigadores muestran que cuando el material se enfría a una temperatura muy baja mientras está bajo un campo magnético moderado, su resistividad longitudinal cae a cero, indicando que el material se transforma de metal a aislante. Esto se debe a las interacciones electrónicas donde los electrones se redistribuyen y forman una onda de densidad periódica a lo largo de la dirección del campo magnético (como se ilustra en la imagen) llamada onda de densidad de carga.
"Este cambio normalmente congelaría el movimiento de los electrones y el material se volvería aislante, impidiendo que el electrón fluya a través del interior del material. Sin embargo, utilizando este material único, los electrones pueden moverse a través de las superficies, dando una resistividad de Hall cuantificada por la longitud de onda de la onda de densidad de carga, ", explicó el coautor, el profesor Zhang Liyuan de SUSTech. Esto, a su vez, demuestra la primera demostración del QHE 3-D especulativo desde hace mucho tiempo, empujando el célebre QHE de 2-D a 3-D.
"Podemos esperar que el descubrimiento de 3-D QHE conduzca a nuevos avances en nuestro conocimiento de la física y proporcione una gran cantidad de nuevos efectos físicos. Este nuevo conocimiento, de una forma u otra, también nos brindará nuevas oportunidades para el desarrollo tecnológico práctico, "dijo el coautor, Profesor asistente Yang Shengyuan de SUTD.
