En los últimos años, un fenómeno llamado efecto Hall cuántico ha surgido como una plataforma para alojar características exóticas llamadas cuasipartículas, con propiedades que podrían conducir a aplicaciones interesantes en áreas como la computación cuántica. Cuando se aplica un fuerte campo magnético a un material o gas 2D, los electrones en la interfaz, a diferencia de los que están dentro del volumen, son libres de moverse a lo largo de los bordes en lo que se denominan modos o canales de borde, algo similar a los carriles de las autopistas. Este movimiento de los bordes, que es la esencia del efecto Hall cuántico, puede conducir a muchas propiedades interesantes según el material y las condiciones.

Para los electrones convencionales, la corriente fluye solo en una dirección dictada por el campo magnético ("aguas abajo"). Sin embargo, los físicos han predicho que algunos materiales pueden tener canales de contrapropagación donde algunas cuasipartículas también pueden viajar en la dirección opuesta ("aguas arriba"). Aunque estos canales aguas arriba son de gran interés para los científicos porque pueden albergar una variedad de nuevos tipos de cuasipartículas, han sido extremadamente difíciles de identificar porque no transportan corriente eléctrica.

En un nuevo estudio, los investigadores del Instituto Indio de Ciencias (IISc) y los colaboradores internacionales proporcionan evidencia "pistola humeante" de la presencia de modos aguas arriba a lo largo de los cuales ciertas cuasipartículas neutras se mueven en grafeno de dos capas. Para detectar estos modos o canales, el equipo utilizó un método novedoso que empleaba fluctuaciones de ruido eléctrico en la señal de salida provocadas por la disipación de calor.

"Aunque las excitaciones aguas arriba son de carga neutra, pueden transportar energía térmica y producir un punto de ruido en la dirección aguas arriba", explica Anindya Das, profesora asociada del Departamento de Física y autora correspondiente del estudio publicado en Nature Communications .

Las cuasipartículas son en gran parte excitaciones que surgen cuando partículas elementales como los electrones interactúan entre sí o con la materia que las rodea. No son realmente partículas, pero tienen partículas similares como masa y carga. El ejemplo más simple es un 'agujero', una vacante donde falta un electrón en un estado de energía dado en un semiconductor. Tiene una carga opuesta al electrón y puede moverse dentro de un material al igual que lo hace el electrón. Los pares de electrones y huecos también pueden formar cuasipartículas que pueden propagarse a lo largo del borde del material.

En estudios anteriores, los investigadores han demostrado que podría ser posible detectar cuasipartículas emergentes como los fermiones de Majorana en el grafeno; la esperanza es aprovechar tales cuasipartículas para eventualmente construir computadoras cuánticas tolerantes a fallas. Para identificar y estudiar tales partículas, es fundamental detectar modos aguas arriba que puedan albergarlas. Aunque tales modos ascendentes se han detectado anteriormente en sistemas basados ​​en arseniuro de galio, hasta ahora no se ha identificado ninguno en grafeno y materiales basados ​​en grafeno, que ofrecen muchas más promesas cuando se trata de aplicaciones futuristas.

En el estudio actual, cuando los investigadores aplicaron un potencial eléctrico al borde del grafeno de dos capas, encontraron que el calor se transportaba solo en los canales aguas arriba y se disipaba en ciertos "puntos calientes" en esa dirección. En estos puntos, el calor generaba ruido eléctrico que podía ser captado por un circuito de resonancia eléctrica y un analizador de espectro.

Los autores también descubrieron que el movimiento de estas cuasipartículas en los canales aguas arriba era "balístico":la energía térmica fluía de un punto de acceso a otro sin ninguna pérdida, a diferencia del transporte "difusivo" observado anteriormente en los sistemas basados ​​en arseniuro de galio. Tal movimiento balístico también es indicativo de la presencia de estados exóticos y características que podrían ayudar a construir componentes cuánticos energéticamente eficientes y libres de fallas en el futuro, según los autores. + Explora más

Partículas cuánticas exóticas:se requiere menos campo magnético