Un equipo de investigación internacional dirigido por el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) tomó las primeras imágenes de resolución atómica y demostró el control eléctrico de un estado de interfaz quiral, un fenómeno cuántico exótico que podría ayudar a los investigadores a avanzar en la computación cuántica y la electrónica energéticamente eficiente. /P>

El estado de interfaz quiral es un canal conductor que permite que los electrones viajen en una sola dirección, evitando que se dispersen hacia atrás y provoquen una resistencia eléctrica que desperdicie energía. Los investigadores están trabajando para comprender mejor las propiedades de los estados de interfaz quirales en materiales reales, pero visualizar sus características espaciales ha demostrado ser excepcionalmente difícil.

Pero ahora, por primera vez, las imágenes de resolución atómica capturadas por un equipo de investigación del Berkeley Lab y la UC Berkeley han visualizado directamente un estado de interfaz quiral. Los investigadores también demostraron la creación bajo demanda de estos canales conductores sin resistencia en un aislante 2D.

Su trabajo, que fue publicado en la revista Nature Physics , es parte del impulso más amplio de Berkeley Lab para avanzar en la computación cuántica y otras aplicaciones de sistemas de información cuántica, incluido el diseño y la síntesis de materiales cuánticos para abordar necesidades tecnológicas apremiantes.

"Experimentos anteriores han demostrado que existen estados de interfaz quirales, pero nadie los había visualizado nunca con una resolución tan alta. Nuestro trabajo muestra por primera vez cómo se ven estos estados 1D a escala atómica, incluyendo cómo podemos alterarlos, e incluso crearlos", dijo el primer autor Canxun Zhang, ex estudiante investigador de posgrado en la División de Ciencias de Materiales del Laboratorio de Berkeley y el Departamento de Física de UC Berkeley. Ahora es investigador postdoctoral en UC Santa Bárbara.

Los estados de interfaz quirales pueden ocurrir en ciertos tipos de materiales 2D conocidos como aisladores de Hall anómalos cuánticos (QAH), que son aislantes en masa pero conducen electrones sin resistencia en "bordes" unidimensionales:los límites físicos del material y las interfaces con otros materiales.

Para preparar estados de interfaz quirales, el equipo trabajó en la Fundición Molecular del Laboratorio de Berkeley para fabricar un dispositivo llamado grafeno monocapa-bicapa retorcido, que es una pila de dos capas atómicamente delgadas de grafeno rotadas con precisión entre sí, creando una superred de muaré que exhibe la Efecto QAH.

En experimentos posteriores en el Departamento de Física de UC Berkeley, los investigadores utilizaron un microscopio de efecto túnel (STM) para detectar diferentes estados electrónicos en la muestra, lo que les permitió visualizar la función de onda del estado de la interfaz quiral. Otros experimentos demostraron que el estado de la interfaz quiral se puede mover a través de la muestra modulando el voltaje en un electrodo de puerta colocado debajo de las capas de grafeno.

En una demostración final de control, los investigadores demostraron que un pulso de voltaje desde la punta de una sonda STM podía "escribir" un estado de interfaz quiral en la muestra, borrarlo e incluso reescribir uno nuevo donde los electrones fluyen en la dirección opuesta.

Los hallazgos pueden ayudar a los investigadores a construir redes sintonizables de canales de electrones que son prometedoras para la microelectrónica energéticamente eficiente y los dispositivos de memoria magnética de baja potencia en el futuro, y para la computación cuántica haciendo uso de los exóticos comportamientos de los electrones en los aisladores QAH.

Los investigadores pretenden utilizar su técnica para estudiar física más exótica en materiales relacionados, como los anyons, un nuevo tipo de cuasipartícula que podría abrir una ruta hacia la computación cuántica.

"Nuestros resultados proporcionan información que antes no era posible. Todavía queda un largo camino por recorrer, pero este es un buen primer paso", afirmó Zhang.

Más información: Canxun Zhang et al, Manipulación de estados de interfaz quirales en un aislante Hall anómalo cuántico muaré, Física de la naturaleza (2024). DOI:10.1038/s41567-024-02444-w

Información de la revista: Física de la Naturaleza

Proporcionado por el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley