Un grupo de investigadores dirigido por Sir Andre Geim y el Dr. Alexey Berdyugin de la Universidad de Manchester ha descubierto y caracterizado una nueva familia de cuasipartículas llamadas 'fermiones Brown-Zak' en superredes basadas en grafeno.

El equipo logró este avance alineando la red atómica de una capa de grafeno con la de una lámina aislante de nitruro de boro. cambiando drásticamente las propiedades de la hoja de grafeno.

El estudio sigue años de avances sucesivos en superredes de grafeno-nitruro de boro que permitieron la observación de un patrón fractal conocido como la mariposa de Hofstadter, y hoy (viernes, 13 de noviembre) los investigadores informan de otro comportamiento muy sorprendente de las partículas en tales estructuras bajo un campo magnético aplicado.

"Es bién sabido, que en campo magnético cero, los electrones se mueven en trayectorias rectas y si aplicas un campo magnético comienzan a doblarse y moverse en círculos ", explicar a Julien Barrier y al Dr. Piranavan Kumaravadivel, quien llevó a cabo el trabajo experimental.

"En una capa de grafeno que se ha alineado con el nitruro de boro, los electrones también comienzan a doblarse, pero si establece el campo magnético en valores específicos, los electrones se mueven nuevamente en trayectorias en línea recta, ¡como si ya no hubiera campo magnético! "

"Tal comportamiento es radicalmente diferente de la física de los libros de texto". agrega el Dr. Piranavan Kumaravadivel.

"Atribuimos este fascinante comportamiento a la formación de cuasipartículas novedosas en un campo magnético elevado, ", dice el Dr. Alexey Berdyugin." Esas cuasipartículas tienen sus propias propiedades únicas y una movilidad excepcionalmente alta a pesar del campo magnético extremadamente alto ".

Como se publicó en Comunicaciones de la naturaleza , el trabajo describe cómo se comportan los electrones en una superrejilla de grafeno de ultra alta calidad con un marco revisado para las características fractales de la mariposa de Hofstadter. Las mejoras fundamentales en las técnicas de medición y fabricación de dispositivos de grafeno en la última década han hecho posible este trabajo.

"El concepto de cuasipartículas es posiblemente uno de los más importantes en la física de la materia condensada y los sistemas cuánticos de muchos cuerpos. Fue introducido por el físico teórico Lev Landau en la década de 1940 para describir los efectos colectivos como una 'excitación de una partícula', "explica Julien Barrier" Se utilizan en varios sistemas complejos para dar cuenta de los efectos de muchos cuerpos ".

Hasta ahora, el comportamiento de los electrones colectivos en superredes de grafeno se pensó en términos del fermión de Dirac, una cuasipartícula que tiene propiedades únicas que se asemejan a los fotones (partículas sin masa), que se replican en campos magnéticos altos. Sin embargo, esto no tuvo en cuenta algunas funciones experimentales, como la degeneración adicional de los estados, ni coincidió con la masa finita de la cuasipartícula en este estado.

Los autores proponen que los 'fermiones Brown-Zak' sean la familia de cuasipartículas que existen en superredes bajo un alto campo magnético. Esto se caracteriza por un nuevo número cuántico que se puede medir directamente. Curiosamente, trabajar a temperaturas más bajas les permitió levantar la degeneración con interacciones de intercambio a temperaturas ultrabajas.

"Bajo la presencia de un campo magnético, los electrones del grafeno comienzan a girar con órbitas cuantificadas. Para fermiones Brown-Zak, logramos restaurar una trayectoria recta de decenas de micrómetros bajo campos magnéticos altos de hasta 16T (500, 000 veces el campo magnético de la tierra). En condiciones específicas, las cuasipartículas balísticas no sienten ningún campo magnético efectivo, "explica el Dr. Kumaravadivel y el Dr. Berdyugin.

En un sistema electrónico, la movilidad se define como la capacidad de una partícula de viajar tras la aplicación de una corriente eléctrica. Las altas movilidades han sido durante mucho tiempo el Santo Grial al fabricar sistemas 2-D como el grafeno porque dichos materiales presentarían propiedades adicionales (efectos de sala cuántica entera y fraccional), y potencialmente permitir la creación de transistores de frecuencia ultra alta, los componentes en el corazón de un procesador de computadora.

"Para este estudio preparamos dispositivos de grafeno que son extra grandes con un nivel de pureza muy alto". dice el Dr. Kumaravadivel. Esto nos permitió alcanzar movilidades de varios millones de cm² / Vs, lo que significa que las partículas viajarían directamente a través de todo el dispositivo sin dispersarse. En tono rimbombante, Este no fue solo el caso de los fermiones de Dirac clásicos en grafeno, pero también realizado para los fermiones Brown-Zak reportados en el trabajo.

Estos fermiones Brown-Zak definen nuevos estados metálicos, que son genéricos para cualquier sistema de superrejilla, no solo grafeno y ofrece un campo de juego para nuevos problemas de física de materia condensada en otras superredes basadas en materiales 2-D.

Julien Barrier agregó "Los hallazgos son importantes, por supuesto para estudios fundamentales en transporte de electrones, pero creemos que comprender las cuasipartículas en nuevos dispositivos de superrejilla bajo altos campos magnéticos puede conducir al desarrollo de nuevos dispositivos electrónicos ".

La alta movilidad significa que un transistor fabricado con un dispositivo de este tipo podría funcionar a frecuencias más altas, permitir que un procesador hecho de este material realice más cálculos por unidad de tiempo, resultando en una computadora más rápida. La aplicación de un campo magnético generalmente reduciría la movilidad e inutilizaría dicho dispositivo para ciertas aplicaciones. Las altas movilidades de los fermiones Brown-Zak en campos magnéticos elevados abren una nueva perspectiva para los dispositivos electrónicos que operan en condiciones extremas.