Investigadores de la Universidad de Manchester en el Reino Unido, dirigido por el Dr. Artem Mishchenko, Prof. Volodya Fal'ko y Prof. Andre Geim, han descubierto el efecto Hall cuántico en grafito a granel, un cristal en capas que consta de capas de grafeno apiladas. Este es un resultado inesperado porque el efecto Hall cuántico es posible solo en los llamados sistemas bidimensionales (2-D) donde el movimiento de los electrones está restringido a un plano y debe rechazarse en la dirección perpendicular. También han descubierto que el material se comporta de manera diferente dependiendo de si contiene un número par o impar de capas de grafeno, incluso cuando el número de capas en el cristal supera los cientos. El trabajo es un paso importante para la comprensión de las propiedades fundamentales del grafito, que a menudo se han malinterpretado, especialmente en los últimos años.

En su trabajo, publicado en Física de la naturaleza , Mishchenko y sus colegas estudiaron dispositivos hechos de cristales de grafito escindidos, que esencialmente no contienen defectos. Los investigadores también preservaron la alta calidad del material al encapsularlo en otro material en capas de alta calidad:nitruro de boro hexagonal. Moldearon sus dispositivos en una geometría de barra Hall, lo que les permitió medir el transporte de electrones en el grafito delgado.

"Las medidas fueron bastante simples". explica el Dr. Jun Yin, el primer autor del artículo. "Pasamos una pequeña corriente a lo largo del bar Hall, aplicó un fuerte campo magnético perpendicular al plano de la barra Hall y luego midió los voltajes generados a lo largo y a lo largo del dispositivo para extraer la resistividad longitudinal y la resistencia Hall.

Reducción dimensional

Fal'ko, quien dirigió la parte de la teoría, dijo:"Nos sorprendió bastante cuando vimos el efecto Hall cuántico (QHE), una secuencia de mesetas cuantificadas en la resistencia Hall, acompañado de resistividad longitudinal cero en nuestras muestras. Estos son lo suficientemente gruesos como para se comportan como un semimetal a granel normal en el que se debería prohibir el QHE ".

Los investigadores dicen que el QHE proviene del hecho de que el campo magnético aplicado fuerza a los electrones en el grafito a moverse en una dimensión reducida. con conductividad solo permitida en la dirección paralela al campo. En muestras suficientemente delgadas, sin embargo, este movimiento unidimensional puede cuantificarse gracias a la formación de ondas electrónicas estacionarias. El material pasa así de ser un sistema de electrones 3-D a uno 2-D con niveles de energía discretos.

El número par / impar de capas de grafeno es importante

Otra gran sorpresa es que este QHE es muy sensible al número par / impar de capas de grafeno. Los electrones del grafito son similares a los del grafeno y vienen en dos "sabores" (llamados valles). Las ondas estacionarias formadas a partir de electrones de dos sabores diferentes se encuentran en capas de grafito con números pares o impares. En películas con un número par de capas, el número de capas pares e impares es el mismo, por lo que coinciden las energías de las ondas estacionarias de diferentes sabores.

La situación es diferente en películas con números impares de capas, sin embargo, porque el número de capas pares e impares es diferente, es decir, siempre hay una capa extra extraña. Esto da como resultado que los niveles de energía de las ondas estacionarias de diferentes sabores cambien entre sí y significa que estas muestras tienen brechas de energía de QHE reducidas. El fenómeno persiste incluso para grafito de cientos de capas de espesor.

Observaciones del QHE fraccional

Los descubrimientos inesperados no terminaron ahí:los investigadores dicen que también observaron el QHE fraccional en grafito delgado por debajo de 0,5 K. El FQHE es diferente del QHE normal y es el resultado de fuertes interacciones entre electrones. Estas interacciones, que a menudo puede conducir a importantes fenómenos colectivos como la superconductividad, magnetismo y superfluidez, hacen que los portadores de carga en un material FQHE se comporten como cuasipartículas con una carga que es una fracción de la de un electrón.

"La mayoría de los resultados que hemos observado se pueden explicar usando un modelo simple de un solo electrón, pero ver el FQHE nos dice que la imagen no es tan simple, ", dice Mishchenko." Hay muchas interacciones electrón-electrón en nuestras muestras de grafito en campos magnéticos altos y bajas temperaturas, lo que demuestra que la física de muchos cuerpos es importante en este material ".

Volviendo al grafito

El grafeno ha estado en el centro de atención estos últimos 15 años, y con razon y el grafito fue empujado un poco hacia atrás por su descendencia de una capa de espesor, Agrega Mishchenko. "Ahora hemos vuelto a este antiguo material. El conocimiento obtenido de la investigación del grafeno, técnicas experimentales mejoradas (como la tecnología de ensamblaje de van der Waals) y una mejor comprensión teórica (nuevamente de la física del grafeno), ya nos ha permitido descubrir este novedoso tipo de QHE en los dispositivos de grafito que fabricamos.

"Nuestro trabajo es un nuevo trampolín para nuevos estudios sobre este material, incluida la física de muchos cuerpos, como ondas de densidad, condensación excitónica o cristalización de Wigner ".

El grafito estudiado aquí tiene apilamiento natural (Bernal), pero hay otro alótropo estable del grafito:el romboédrico. Hasta el momento no se han informado mediciones de transporte de este material, solo muchas predicciones teóricas, incluida la superconductividad a alta temperatura y el ferromagnetismo. Los investigadores de Manchester dicen que, por lo tanto, ahora también planean explorar este alótropo.

"Durante décadas, los investigadores utilizaron el grafito como una especie de 'piedra filosofal' que puede producir todos los fenómenos probables e improbables, incluida la superconductividad a temperatura ambiente, ", Añade Geim con una sonrisa." Nuestro trabajo muestra lo que es, en principio, posible en este material, al menos cuando está en su forma más pura ".