Los investigadores de Columbia han observado el efecto Hall cuántico fraccional en el grafeno bicapa y han demostrado que este exótico estado de la materia puede ajustarse mediante un campo eléctrico.

El efecto Hall cuántico fraccional, que puede ocurrir cuando los electrones confinados en láminas delgadas se exponen a grandes campos magnéticos, es un ejemplo sorprendente de comportamiento colectivo donde miles de electrones individuales se comportan como un solo sistema. Sin embargo, mientras que la teoría básica que describe este efecto está bien establecida, muchos detalles de este comportamiento colectivo aún no se comprenden bien, en parte porque solo es observable en sistemas con un desorden extremadamente bajo.

Grafeno una hoja de carbono atómicamente delgada, es un material prometedor para el estudio del efecto Hall cuántico fraccional porque puede ser un cristal casi libre de defectos, y porque los investigadores pueden "sintonizar" la densidad de carga con un electrodo de "puerta" de metal externo y observar cómo los estados cuánticos evolucionan en respuesta. Durante los últimos años, un esfuerzo de colaboración en la Universidad de Columbia que abarca investigadores de Ingeniería Mecánica, Ingeniería Eléctrica y Física, desarrolló una serie de técnicas de fabricación innovadoras para aprovechar esta oportunidad, permitiéndoles informar la primera observación del efecto Hall cuántico fraccional en el grafeno en 2009, y el primer ajuste de amplio rango del efecto en 2011.

Un sistema aún más interesante para el estudio del efecto Hall cuántico fraccional es el llamado grafeno bicapa, que consta de dos hojas de grafeno apiladas. En este material, el uso de dos electrodos de puerta de metal (arriba y abajo) permite un ajuste independiente de la densidad de carga en cada capa, que proporciona una forma completamente nueva de manipular los estados de Hall cuánticos fraccionarios. En particular, La teoría predice que debería ser posible crear estados exóticos "no abelianos" que podrían usarse para la computación cuántica.

Si bien la observación del efecto Hall cuántico fraccional en grafeno de una sola capa requirió simplemente la fabricación de dispositivos más limpios, La observación de este efecto en el grafeno bicapa resultó más difícil. "Sabíamos que podíamos fabricar estructuras de grafeno bicapa muy limpias, pero sufrimos de nuestra incapacidad para hacer un buen contacto eléctrico ya que el grafeno bicapa desarrolla una 'banda prohibida' electrónica bajo los altos campos magnéticos y las bajas temperaturas requeridas para nuestros experimentos, "dice Cory Dean, profesor de Física que se mudó recientemente a la Universidad de Columbia, y autor principal del artículo. Un avance crítico fue el rediseño de los dispositivos para que la densidad de carga en las regiones de contacto pudiera ajustarse independientemente del resto del dispositivo. lo que les permitió mantener un buen contacto eléctrico incluso bajo grandes campos magnéticos. "Una vez que tuvimos esta nueva estructura de dispositivo, los resultados fueron espectaculares".

Reportando en el 4 de julio, Edición 2014 de Ciencias , El equipo demuestra la existencia del efecto Hall cuántico fraccional en el grafeno bicapa y muestra evidencia de una transición de fase controlable mediante la aplicación de campos eléctricos. Una de las preguntas clave para comprender el efecto Hall cuántico fraccional en cualquier sistema es identificar el orden asociado con el estado fundamental. Por ejemplo, ¿Todos los electrones asociados dentro del estado colectivo tienen el mismo giro? En el grafeno bicapa, esta cuestión es más compleja, ya que hay varios grados de simetría en juego a la vez. Además de girar, los electrones pueden polarizarse al residir espontáneamente por completo en una capa frente a la otra. Esta complejidad proporciona un nuevo espacio de fase interesante para explorar en busca de efectos nuevos e inusuales. En particular, Varias teorías han predicho que la aplicación de campos eléctricos al grafeno bicapa podría permitir transiciones entre estos órdenes de estado fundamental. "Esta es una nueva perilla experimental que simplemente no está disponible en otros sistemas, "dice James Hone, profesor de Ingeniería Mecánica y coautor del artículo. El equipo ha confirmado por primera vez que la variación del campo eléctrico aplicado provoca una transición de fase, pero la naturaleza exacta de estas diferentes fases sigue siendo una cuestión abierta. "Si bien la teoría espera que podamos ajustar el orden del estado fundamental, la complejidad del sistema hace que sea difícil determinar exactamente qué orden se realiza realmente, "dice el profesor de física y coautor Philip Kim.

"Aquí es donde se dirige la siguiente fase de nuestra investigación, "dice Dean." Las implicaciones de este resultado podrían ser de gran alcance, " él añade, "Si bien todavía no vemos ninguna evidencia de estados no abelianos, el hecho de que podamos modificar la naturaleza del efecto Hall cuántico fraccional mediante campos eléctricos es un primer paso realmente emocionante ".

Si bien los esfuerzos anteriores han podido demostrar diferentes aspectos del requisito de la muestra, ningún otro grupo ha podido reunir todo esto en un solo dispositivo. Dean atribuye este éxito al entorno colaborativo único fomentado en la Universidad de Columbia. "Este es un entorno verdaderamente extraordinario, " él dice, agregando, "El intercambio abierto de ideas entre varias disciplinas hace que el medio ambiente en Columbia sea un terreno fértil para hacer una gran ciencia". La fabricación del dispositivo y las pruebas iniciales se realizaron en la Universidad de Columbia. Luego, el equipo de Columbia realizó la medición bajo grandes campos magnéticos con la ayuda de las instalaciones para usuarios del Laboratorio Nacional de Alto Campo Magnético en Tallahassee. Florida. "Hemos establecido una relación fantástica con la NHFML durante muchos años, "dice Dean." El apoyo brindado por el personal de la NHMFL, tanto a nivel técnico como científico, ha sido invaluable para nuestros esfuerzos ".