Si el régimen de Hall cuántico fraccional fuera una serie de carreteras, estas carreteras tendrían dos o cuatro carriles. El flujo de fermiones compuestos de dos o cuatro flujos, como los automóviles en este escenario de tráfico de fermiones compuestos de dos a cuatro flujos, explica naturalmente los más de 90 estados cuánticos fraccionarios de Hall que se forman en una gran variedad de materiales anfitriones. Sin embargo, los físicos de la Universidad Purdue han descubierto recientemente que los regímenes de Hall cuánticos fraccionarios no se limitan a dos o cuatro flujos y han descubierto la existencia de un nuevo tipo de partícula emergente, a la que llaman fermión compuesto de seis flujos. /P>
Recientemente publicaron sus innovadores hallazgos en Nature Communications. .
Gabor Csathy, profesor y jefe del Departamento de Física y Astronomía de la Facultad de Ciencias de la Universidad Purdue, junto con el Ph.D. los estudiantes Haoyun Huang, Waseem Hussain y el reciente Ph.D. El graduado Sean Myers, dirigió este descubrimiento desde el campus de Purdue en West Lafayette. Csathy le da crédito al autor principal, Huang, por haber concebido y dirigido las mediciones y por haber escrito gran parte del manuscrito. Todas las mediciones de temperaturas ultrabajas se completaron en el laboratorio del Edificio de Física de Csathy. Su laboratorio lleva a cabo investigaciones sobre física de electrones fuertemente correlacionada, a veces denominada física de electrones topológica.
Las interacciones débiles de los electrones están bien establecidas y el comportamiento es bastante predecible. Cuando los electrones interactúan débilmente, el electrón comúnmente se considera el componente natural de todo el sistema. Pero cuando los electrones interactúan fuertemente, interpretar el comportamiento sistémico pensando en electrones individuales se vuelve casi imposible.
"Esto ocurre en muy pocos casos, como en el régimen de Hall cuántico fraccionario que estudiamos, por ejemplo", dice Csathy. "Para explicar los estados de Hall cuánticos fraccionarios, el fermión compuesto, un bloque de construcción fundamental muy intuitivo, viene en diferentes sabores. Pueden representar un subconjunto completo de los estados de Hall cuánticos fraccionarios. Pero todos los completamente desarrollados (es decir, protegidos topológicamente) , los estados de Hall cuánticos fraccionarios podrían explicarse únicamente por dos tipos de fermiones compuestos:los fermiones compuestos de dos y cuatro flujos.
"Aquí informamos sobre un nuevo estado cuántico fraccional de Hall que no puede explicarse mediante ninguna de estas ideas anteriores. En su lugar, necesitamos invocar la existencia de un nuevo tipo de partícula emergente, los llamados fermiones compuestos de seis flujos. El descubrimiento de nuevos estados cuánticos fraccionarios de Hall es bastante escaso. Sin embargo, el descubrimiento de una nueva partícula emergente en la física de la materia condensada es verdaderamente raro y sorprendente."
Por ahora, estas ideas se utilizarán para ampliar nuestra comprensión del ordenamiento de los estados cuánticos fraccionarios conocidos de Hall en una "tabla periódica". Es especialmente notable en este proceso que la partícula de fermión compuesta emergente es única en el sentido de que el electrón captura seis cuantos de flujo magnético cuantificados, formando el fermión compuesto más complejo conocido hasta la fecha.
"La numerología de este complicado rompecabezas de la física requiere bastante paciencia", dice Haoyun Huang, Ph.D. de Csathy. alumno. "Tome el estado fraccionario nu=2/3 como ejemplo. Dado que 2/3=2/(2*2 -1), el estado nu=2/3 pertenece a la familia de dos flujos. De manera similar, para el estado fraccionario nu=2/7, 2/7=2/(2*4 -1), por lo que este estado pertenece a la familia de los cuatro flujos. Por el contrario, los estados fraccionarios que descubrimos se relacionan estrechamente con 2/11=2/(2*6 -1). Antes de nuestro trabajo, no se había observado ningún estado de Hall cuántico fraccional completamente cuantificado que pudiera asociarse con fermiones compuestos de seis flujos. La situación era completamente diferente en el frente teórico:la existencia de este tipo de fermiones compuestos fue predicha por Jainendra Jain en su muy influyente teoría de los fermiones compuestos publicada en 1989. La cuantificación asociada no se observó durante estos 34 años."
El material utilizado en este estudio fue cultivado por un equipo de la Universidad de Princeton dirigido por Loren Pfeiffer. La calidad eléctrica del semiconductor GaAs jugó un papel muy importante en el éxito de esta investigación. Según Csathy, este grupo de Princeton es líder mundial en el cultivo de materiales basados en GaAs de la más alta calidad.
"El GaAs que cultivan es muy especial, ya que el número de imperfecciones es sorprendentemente bajo", afirma. "La combinación de bajo desorden y la experiencia en medición de temperaturas ultrabajas en el laboratorio de Csathy hizo posible este proyecto. Una de las razones por las que estábamos midiendo estas muestras es que muy recientemente el grupo de Princeton ha mejorado significativamente la calidad del semiconductor GaAs, medido por las pequeñas cantidades de defectos presentes. Estas muestras mejoradas, sin duda, seguirán constituyendo un campo de juego para la nueva física."
Este apasionante descubrimiento es parte de una investigación en curso realizada por el equipo de Csathy. El equipo continúa superando los límites del descubrimiento en su búsqueda persistente de la física topológica de los electrones.
Más información: Haoyun Huang et al, Evidencia de protección topológica derivada de fermiones compuestos de seis flujos, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-45860-5
Proporcionado por la Universidad Purdue
