5 de octubre 2017:un equipo dirigido por Cory Dean, profesor asistente de física en la Universidad de Columbia, y James Hone, Wang Fong-Jen, profesor de ingeniería mecánica en Columbia Engineering, ha observado definitivamente una anomalía intensamente estudiada en la física de la materia condensada, el estado de Hall cuántico fraccional del denominador par (FQH), a través de la medición del transporte en grafeno bicapa. El estudio se publica hoy en línea en Ciencias .

"Observar el estado 5/2 en cualquier sistema es una oportunidad científica notable, dado que abarca algunos de los conceptos más desconcertantes de la física moderna de la materia condensada, como emergencia, formación de cuasi-partículas, cuantificación, e incluso superconductividad, "Dean dice". Nuestra observación de que, en grafeno bicapa, el estado 5/2 sobrevive a temperaturas mucho más altas de lo que se creía posible, no solo nos permite estudiar este fenómeno de nuevas formas, pero también cambia nuestra visión del estado de FQH de ser en gran parte una curiosidad científica a tener ahora un gran potencial para aplicaciones del mundo real, particularmente en computación cuántica ".

Descubierto por primera vez en la década de 1980 en heteroestructuras de arseniuro de galio (GaAs), el estado de pasillo cuántico fraccionario de 5/2 sigue siendo la excepción singular a la regla estricta que dice que los estados de pasillo cuántico fraccionario solo pueden existir con denominadores impares. Poco después del descubrimiento, El trabajo teórico sugirió que este estado podría representar un tipo exótico de superconductor, notable en parte por la posibilidad de que tal fase podría permitir un enfoque fundamentalmente nuevo para la computación cuántica. Sin embargo, La confirmación de estas teorías sigue siendo esquiva, en gran parte debido a la naturaleza frágil del estado; en GaAs es observable solo en las muestras de la más alta calidad e incluso entonces aparece solo a temperaturas milikelvin (hasta 10, 000 veces más frío que el punto de congelación del agua).

El equipo de Columbia ha observado ahora este mismo estado en el grafeno bicapa y que aparece a temperaturas mucho más altas, alcanzando varios Kelvin. "Aunque todavía hace 100 veces más frío que el punto de congelación del agua, ver el estado del denominador par a estas temperaturas abre la puerta a un nuevo conjunto de herramientas experimentales que antes eran impensables, "dice Dean." Después de varias décadas de esfuerzo por parte de investigadores de todo el mundo, finalmente podemos estar cerca de resolver el misterio del 5/2 ".

Uno de los problemas sobresalientes en el campo de la física moderna de la materia condensada es comprender el fenómeno de "emergencia, "el resultado de una gran colección de partículas cuánticas que se comportan en concierto debido a las interacciones entre las partículas y dan lugar a nuevas características que no son una característica de las partes individuales. Por ejemplo, en superconductores, una gran cantidad de electrones colapsan a un solo estado cuántico, que luego puede propagarse a través de un metal sin pérdida de energía. El efecto Hall cuántico fraccional es otro estado en el que los electrones coluden entre sí, en presencia de un campo magnético, resultando en cuasipartículas con propiedades cuánticas potencialmente exóticas.

Muy difícil de predecir teóricamente, La emergencia a menudo desafía nuestra comprensión fundamental de cómo se comportan las partículas. Por ejemplo, dado que dos electrones cualesquiera tienen la misma carga, pensamos en los electrones como objetos que quieren repelerse entre sí. Sin embargo, en un metal superconductor, los electrones se emparejan inesperadamente, formando un nuevo objeto conocido como pareja de cobre. Los electrones individuales se dispersan cuando se mueven a través de un metal, dando lugar a resistencias, pero las parejas de cobre formadas espontáneamente se comportan colectivamente de tal manera que se mueven a través del material sin ninguna resistencia.

"Piensa en intentar abrirte camino entre la multitud en un concierto de rock donde todos bailan con mucha energía y chocan constantemente contigo. en comparación con una pista de baile de salón donde las parejas de bailarines se mueven al mismo tiempo, manera cuidadosamente coreografiada, y es fácil evitarnos, "dice Dean." Una de las razones por las que el efecto Hall cuántico fraccional del denominador par es tan fascinante es que se cree que su origen es muy similar al de un superconductor, pero, en lugar de simplemente formar parejas de cobre, emerge un tipo completamente nuevo de partícula cuántica ".

Según la mecánica cuántica, Las partículas elementales se dividen en dos categorías, Fermiones y bosones, y comportarse de formas muy diferentes. Dos fermiones como los electrones, no puede ocupar el mismo estado, por eso por ejemplo, los electrones de los átomos llenan orbitales sucesivos. Bosones, como fotones, o partículas de luz, puede ocupar el mismo estado, permitiéndoles actuar coherentemente como en la emisión de luz de un láser. Cuando se intercambian dos partículas idénticas, la función de onda de la mecánica cuántica que describe su estado combinado se multiplica por un factor de fase de 1 para los bosones, y -1 para fermiones.

Poco después del descubrimiento del efecto hall cuántico fraccional, Se sugirió sobre bases teóricas que las cuasipartículas asociadas con este estado no se comportan ni como bosones ni como fermiones, sino como lo que se llama un anyon:cuando las cuasipartículas anyon se intercambian, el factor de fase no es ni 1 ni -1, pero es fraccionario. A pesar de varias décadas de esfuerzo, todavía no hay pruebas experimentales concluyentes que confirmen que estas cuasipartículas sean cualquiera. Se cree que el estado 5/2, un anyon no abeliano, es aún más exótico. En teoria, Los anyones no abelianos obedecen a la estadística anyónica como en otros estados de Hall cuánticos fraccionarios, pero con la característica especial de que esta fase no se puede deshacer simplemente invirtiendo el proceso. Esta incapacidad para simplemente desenrollar la fase haría que cualquier información almacenada en el sistema fuera excepcionalmente estable, y es por eso que mucha gente cree que el 5/2 podría ser un gran candidato para la computación cuántica.

"La demostración de las estadísticas 5/2 previstas representaría un gran logro, "dice Dean." En muchos aspectos, esto confirmaría que, mediante la fabricación de un sistema de materiales con el grosor justo y la cantidad justa de electrones, y luego aplicando solo los campos magnéticos correctos, podríamos diseñar de manera efectiva clases de partículas fundamentalmente nuevas, con propiedades que de otro modo no existen entre las partículas conocidas que se encuentran naturalmente en el universo. Todavía no tenemos evidencia concluyente de que el estado 5/2 exhiba propiedades no abelianas, pero nuestro descubrimiento de este estado en el grafeno bicapa abre nuevas y emocionantes oportunidades para probar estas teorías ".

Hasta ahora, todas esas condiciones han tenido que ser no solo correctas sino también extremas. En semiconductores convencionales, los estados pares son muy difíciles de aislar, y existen solo para materiales ultrapuros, a temperaturas extremadamente bajas y campos magnéticos altos. Si bien ciertas características del estado han sido observables ideando experimentos que podrían investigar el estado sin destruirlo, ha sido un desafío.

"Necesitábamos una nueva plataforma, "dice Hone." Con el aislamiento exitoso del grafeno, estas capas atómicamente delgadas de átomos de carbono surgieron como una plataforma prometedora para el estudio de electrones en 2D en general. Una de las claves es que los electrones del grafeno interactúan incluso con más fuerza que en los sistemas de electrones 2D convencionales. teóricamente, haciendo que los efectos como el estado del denominador par sean aún más robustos. Pero aunque ha habido predicciones de que el grafeno bicapa podría albergar los estados de denominador par tan buscados, a temperaturas más altas que las vistas antes, estas predicciones no se han cumplido debido principalmente a la dificultad de hacer que el grafeno sea lo suficientemente limpio ".

El equipo de Columbia se basó en muchos años de trabajo pionero para mejorar la calidad de los dispositivos de grafeno, creando dispositivos ultralimpios completamente a partir de materiales 2D atómicamente planos:grafeno bicapa para el canal conductor, nitruro de boro hexagonal como aislante protector, y grafito utilizado para conexiones eléctricas y como puerta conductora para cambiar la densidad del portador de carga en el canal.

Un componente crucial de la investigación fue tener acceso a las herramientas de alto campo magnético disponibles en el Laboratorio Nacional de Alto Campo Magnético en Tallahassee, Fla., una instalación para usuarios financiada a nivel nacional con la que Hone y Dean han tenido una amplia colaboración. Estudiaron la conducción eléctrica a través de sus dispositivos bajo campos magnéticos de hasta 34 Tesla, y logró una observación clara de los estados pares del denominador.

"Al inclinar la muestra con respecto al campo magnético, pudimos proporcionar una nueva confirmación de que este estado FQH tiene muchas de las propiedades predichas por la teoría, como estar polarizado en espín, "dice Jia Li, autor principal del artículo e investigador postdoctoral que trabaja con Dean y Hone. "También descubrimos que en el grafeno bicapa, este estado puede manipularse de formas que no son posibles en materiales convencionales ".

El resultado del equipo de Columbia, que demuestra la medición en el transporte, cómo fluyen los electrones en el sistema, es un paso crucial hacia la confirmación del posible origen exótico del estado del denominador par. Sus hallazgos se informan al mismo tiempo que un informe similar de un grupo de investigación de la Universidad de California, Santa Bárbara. El estudio UCSB observó el estado par del denominador mediante la medición de capacitancia, que prueba la existencia de una brecha eléctrica asociada con el inicio del estado.

El equipo espera que las medidas robustas que ahora han observado en el grafeno bicapa permitan nuevos experimentos que podrían probar definitivamente su naturaleza no abeliana. Una vez que esto se establece, el equipo espera comenzar a demostrar la computación utilizando el estado del denominador par.

"Desde hace muchas décadas se ha pensado que si el estado 5/2 realmente representa un anyon no abeliano, teóricamente podría revolucionar los esfuerzos para construir una computadora cuántica, Dean observa. En el pasado, sin embargo, las condiciones extremas necesarias para ver el estado en absoluto, y mucho menos usarlo para la computación, siempre fueron una gran preocupación de practicidad. Nuestros resultados en grafeno bicapa sugieren que este sueño puede que ahora no esté tan lejos de la realidad ".