Los investigadores de la Universidad de Columbia informan que han observado un fluido cuántico conocido como estados de Hall cuánticos fraccionarios (FQHS), una de las fases más delicadas de la materia, por primera vez en un semiconductor 2-D monocapa. Sus hallazgos demuestran la excelente calidad intrínseca de los semiconductores 2-D y los establecen como una plataforma de prueba única para futuras aplicaciones en computación cuántica. El estudio fue publicado en línea hoy en Nanotecnología de la naturaleza .

"Nos sorprendió mucho observar este estado en semiconductores 2-D porque generalmente se ha asumido que están demasiado sucios y desordenados para albergar este efecto". "dice Cory Dean, profesor de física en la Universidad de Columbia. "Es más, la secuencia FQHS en nuestro experimento revela un nuevo comportamiento inesperado e interesante que nunca antes habíamos visto, y de hecho sugiere que los semiconductores 2-D son plataformas casi ideales para estudiar FQHS más a fondo ".

El estado de Hall cuántico fraccional es un fenómeno colectivo que se produce cuando los investigadores limitan a los electrones a moverse en un plano bidimensional delgado, y someterlos a grandes campos magnéticos. Descubierto por primera vez en 1982, el efecto Hall cuántico fraccional se ha estudiado durante más de 40 años, sin embargo, aún quedan muchas preguntas fundamentales. Una de las razones de esto es que el estado es muy frágil y aparece solo en los materiales más limpios.

"Por lo tanto, la observación del FQHS a menudo se considera un hito importante para un material 2-D, uno que solo han alcanzado los sistemas electrónicos más limpios. "señala Jim Hone, Wang Fong-Jen, profesor de ingeniería mecánica en Columbia Engineering.

Si bien el grafeno es el material 2-D más conocido, se ha identificado un gran grupo de materiales similares en los últimos 10 años, todo lo cual se puede exfoliar hasta un grosor de una sola capa. Una clase de estos materiales son los dicalcogenuros de metales de transición (TMD), como WSe2, el material utilizado en este nuevo estudio. Como el grafeno se pueden pelar para que sean atómicamente delgados, pero, a diferencia del grafeno, sus propiedades bajo campos magnéticos son mucho más simples. El desafío ha sido que la calidad del cristal de los TMD no era muy buena.

"Desde que TMD subió al escenario, siempre se pensó que era un material sucio con muchos defectos, "dice Hone, cuyo grupo ha realizado una mejora significativa en la calidad de los TMD, llevándolo a una calidad cercana al grafeno, a menudo considerado el máximo estándar de pureza entre los materiales 2-D.

Además de la calidad de la muestra, Los estudios de los materiales semiconductores 2-D se han visto obstaculizados por las dificultades para establecer un buen contacto eléctrico. Para abordar esto, Los investigadores de Columbia también han estado desarrollando la capacidad de medir propiedades electrónicas por capacitancia, en lugar de los métodos convencionales de hacer fluir una corriente y medir la resistencia. Una de las principales ventajas de esta técnica es que la medición es menos sensible tanto al contacto eléctrico deficiente como a las impurezas del material. Las mediciones para este nuevo estudio se realizaron bajo campos magnéticos muy grandes, que ayudan a estabilizar el FQHS, en el Laboratorio Nacional de Alto Campo Magnético.

"Los números fraccionarios que caracterizan el FQHS que observamos, las proporciones de la partícula al número de flujo magnético, siguen una secuencia muy simple, "dice Qianhui Shi, primer autor del artículo e investigador postdoctoral en la Columbia Nano Initiative. "La secuencia simple es consistente con las expectativas teóricas genéricas, pero todos los sistemas anteriores muestran un comportamiento más complejo e irregular. Esto nos dice que finalmente tenemos una plataforma casi ideal para el estudio de FQHS, donde los experimentos se pueden comparar directamente con modelos simples ".

Entre los números fraccionarios, uno de ellos tiene un denominador par. "Observar el efecto Hall cuántico fraccional fue en sí mismo sorprendente, Ver el estado del denominador par en estos dispositivos fue realmente asombroso, dado que anteriormente este estado solo se ha observado en el mejor de los mejores dispositivos, "dice Dean.

Los estados fraccionarios con denominadores pares han recibido especial atención desde su primer descubrimiento a fines de la década de 1980, ya que se cree que representan un nuevo tipo de partícula, uno con propiedades cuánticas diferentes de cualquier otra partícula conocida en el universo. "Las propiedades únicas de estas partículas exóticas, "señala Zlatko Papic, profesor asociado de física teórica en la Universidad de Leeds, "podría usarse para diseñar computadoras cuánticas que estén protegidas de muchas fuentes de errores".

Hasta aquí, Los esfuerzos experimentales para comprender y explotar los estados pares del denominador se han visto limitados por su extrema sensibilidad y el número extremadamente pequeño de materiales en los que se puede encontrar este estado. "Esto hace que el descubrimiento del estado del denominador par en una plataforma material nueva y diferente, realmente muy emocionante, Dean agrega.

Los dos laboratorios de la Universidad de Columbia, Dean Lab y Hone Group, trabajaron en colaboración con NIMS Japan, que suministró algunos de los materiales, y Papic, cuyo grupo realizó el modelado computacional de los experimentos. Ambos laboratorios de Columbia son parte del Centro de Ciencia e Ingeniería de Investigación de Materiales de la universidad. Este proyecto también utilizó instalaciones de sala limpia tanto en Columbia Nano Initiative como en City College. Las mediciones en grandes campos magnéticos se realizaron en el Laboratorio Nacional de Alto Campo Magnético, una instalación para usuarios financiada por la National Science Foundation y con sede en Florida State University en Tallahassee, Florida.

Ahora que los investigadores tienen semiconductores 2-D muy limpios, así como una sonda eficaz, están explorando otros estados interesantes que surgen de estas plataformas 2-D.