Coge un lápiz. Haz una marca en una hoja de papel. Felicitaciones:está haciendo física de materia condensada de vanguardia. Incluso podría estar haciendo la primera marca en el camino hacia las computadoras cuánticas, según una nueva investigación de Perímetro.

Introduciendo el grafeno

Uno de los materiales más candentes en la investigación de la materia condensada hoy en día es el grafeno.

El grafeno tuvo un comienzo poco probable:comenzó con los investigadores jugando con las marcas de lápiz en el papel. La "mina" del lápiz está hecha de grafito, que es una red cristalina suave hecha de nada más que átomos de carbono. Cuando los lápices depositan ese grafito sobre el papel, la celosía se coloca en láminas delgadas. Al separar esa celosía en láminas más delgadas, originalmente usando cinta adhesiva, los investigadores descubrieron que podían hacer escamas de cristal de solo un átomo de espesor.

El nombre de esta malla de gallinero a escala de átomo es grafeno. Esa gente con la cinta adhesiva Andre Geim y Konstantin Novoselov, ganó el Premio Nobel de 2010 por descubrirlo. "Como material, es completamente nuevo, no solo el más delgado sino también el más fuerte, "escribió el comité del Nobel." Como conductor de electricidad, funciona tan bien como el cobre. Como conductor de calor, supera a todos los demás materiales conocidos. Es casi completamente transparente, pero tan denso que ni siquiera el helio, el átomo de gas más pequeño, puede atravesarlo ".

Desarrollando un modelo teórico de grafeno

El grafeno no es solo una maravilla práctica, también es un país de las maravillas para los teóricos. Confinado a la superficie bidimensional del grafeno, los electrones se comportan de manera extraña. Se pueden ver todo tipo de nuevos fenómenos, y se pueden probar nuevas ideas. Probar nuevas ideas en grafeno es exactamente lo que los investigadores de Perimeter Zlatko Papić y Dmitry (Dima) Abanin se propusieron hacer.

"Dima y yo empezamos a trabajar en grafeno hace mucho tiempo, "dice Papić." Nos conocimos en 2009 en una conferencia en Suecia. Yo era un estudiante de posgrado y Dima estaba en el primer año de su posdoctorado, Creo."

Los dos jóvenes científicos empezaron a hablar sobre la nueva física que podrían observar en el extraño material nuevo cuando se expone a un fuerte campo magnético.

"Decidimos que queríamos modelar el material, "dice Papić. Han estado trabajando en su modelo teórico del grafeno, encendido y apagado, desde entonces. Los dos están ahora en Perimeter Institute, donde Papić es investigador postdoctoral y Abanin es miembro de la facultad. Ambos están nombrados por el Instituto de Computación Cuántica (IQC) de la Universidad de Waterloo.

En enero de 2014, publicaron un artículo en Cartas de revisión física (PRL) presenta nuevas ideas sobre cómo inducir un estado extraño pero interesante en el grafeno, uno en el que parece que las partículas en su interior tienen una fracción de la carga de un electrón.

Se llama efecto Hall cuántico fraccional (FQHE), y está girando la cabeza. Como la velocidad de la luz o la constante de Planck, la carga del electrón es un punto fijo en el universo cuántico desorientador.

Todos los sistemas del universo transportan múltiplos enteros de la carga de un solo electrón. Cuando se descubrió el FQHE por primera vez en la década de 1980, Los físicos de la materia condensada rápidamente descubrieron que las "partículas" con carga fraccionada dentro de sus semiconductores eran en realidad cuasipartículas, es decir, comportamientos colectivos emergentes del sistema que imitan partículas.

El grafeno es un material ideal para estudiar el FQHE. "Porque tiene un solo átomo de espesor, tienes acceso directo a la superficie, "dice Papić." En semiconductores, donde se observó por primera vez FQHE, el gas de electrones que crea este efecto está enterrado profundamente dentro del material. Son difíciles de acceder y manipular. Pero con el grafeno puedes imaginar manipular estos estados mucho más fácilmente ".

En el periódico de enero, Abanin y Papić informaron sobre nuevos tipos de estados FQHE que podrían surgir en el grafeno bicapa, es decir, en dos hojas de grafeno colocadas una encima de otra, cuando se coloca en un fuerte campo magnético perpendicular. En un trabajo anterior de 2012, argumentaron que la aplicación de un campo eléctrico a través de la superficie del grafeno bicapa podría ofrecer una perilla experimental única para inducir transiciones entre estados FQHE. Combinando los dos efectos, ellos discutieron, sería una forma ideal de ver los estados especiales de FQHE y las transiciones entre ellos.

Ensayos experimentales

Dos grupos experimentales:uno en Ginebra, involucrando a Abanin, y uno en Columbia, que involucran tanto a Abanin como a Papić, desde entonces han hecho un buen uso del método de campo eléctrico + campo magnético. El artículo del grupo de Columbia aparece en la edición del 4 de julio de Ciencias . Un tercer grupo, dirigido por Amir Yacoby de Harvard, está haciendo un trabajo estrechamente relacionado.

"A menudo trabajamos de la mano con experimentadores, "dice Papić." Una de las razones por las que me gusta la materia condensada es que, a menudo, incluso la más sofisticada, la teoría de vanguardia tiene muchas posibilidades de ser rápidamente comprobada con experimentos ".

Dentro del campo magnético y eléctrico, la resistencia eléctrica del grafeno demuestra el extraño comportamiento característico del FQHE. En lugar de una resistencia que varía en una curva suave con el voltaje, la resistencia salta repentinamente de un nivel a otro, y luego mesetas, una especie de escalera de resistencia. Cada escalón es un estado diferente de la materia, definido por la compleja maraña cuántica de cargas, giros, y otras propiedades dentro del grafeno.

"La cantidad de estados es bastante rica, ", dice Papić." Estamos muy interesados ​​en el grafeno bicapa debido a la cantidad de estados que estamos detectando y porque tenemos estos mecanismos, como sintonizar el campo eléctrico, para estudiar cómo estos estados están interrelacionados, y qué sucede cuando el material cambia de un estado a otro ".

Por el momento, Los investigadores están particularmente interesados ​​en los escalones cuya "altura" se describe mediante una fracción con un denominador par. Eso es porque se espera que las cuasipartículas en ese estado tengan una propiedad inusual.

Hay dos tipos de partículas en nuestro mundo tridimensional:fermiones (como electrones), donde dos partículas idénticas no pueden ocupar un estado, y bosones (como fotones), donde dos partículas idénticas realmente quieren ocupar un estado. En tres dimensiones, los fermiones son fermiones y los bosones son bosones, Y los dos nunca se encontrarán.

Pero una hoja de grafeno no tiene tres dimensiones, tiene dos. Es efectivamente un pequeño universo bidimensional, y en ese universo, pueden ocurrir nuevos fenómenos. Por una cosa, fermiones y bosones pueden encontrarse a mitad de camino, convirtiéndose en anones, que puede estar en cualquier lugar entre fermiones y bosones. Se espera que las cuasipartículas en estos estados especiales de escalón sean anyons.

En particular, los investigadores esperan que estas cuasipartículas sean anyons no abelianos, como su teoría indica que deberían ser. Eso sería emocionante porque los anyones no abelianos se pueden usar en la creación de qubits.

¿Grafeno qubits?

Los qub son para las computadoras cuánticas lo que los bits para las computadoras ordinarias:tanto una unidad básica de información como el equipo básico que almacena esa información. Debido a su complejidad cuántica, Los qubits son más poderosos que los bits ordinarios y su poder crece exponencialmente a medida que se agregan más. Una computadora cuántica de solo cien qubits puede abordar ciertos problemas más allá del alcance incluso de las mejores supercomputadoras no cuánticas. O, podria, si alguien pudiera encontrar una manera de construir qubits estables.

El impulso de hacer qubits es parte de la razón por la que el grafeno es un área de investigación candente en general, y por qué los estados de denominador par FQHE - con sus anones especiales - son buscados en particular. "Un estado con un número de estos anyons se puede utilizar para representar un qubit, "dice Papić." Nuestra teoría dice que deberían estar allí y los experimentos parecen confirmarlo - ciertamente los estados de denominador par FQHE parecen estar allí, al menos según los experimentos de Ginebra ".

Eso todavía está a un paso de la prueba experimental de que esos estados escalonados de denominador par en realidad contienen anones no abelianos. Queda más trabajo, pero Papić es optimista:"Podría ser más fácil de probar en grafeno que en semiconductores. Todo está sucediendo en la superficie".

Todavía es temprano, pero parece que el grafeno bicapa puede ser el material mágico que permite construir este tipo de qubit. Esa sería una marca importante en la línea poco probable entre la mina de un lápiz y las computadoras cuánticas.