Pesquisadores das Universidades Brown e Columbia demonstraram estados de matéria anteriormente desconhecidos que surgem em pilhas de grafeno de camada dupla, um nanomaterial bidimensional. Esses novos estados, conhecidos como efeito Hall quântico fracionário, surgem das interações complexas de elétrons dentro e através das camadas de grafeno.
“Os resultados mostram que o empilhamento materiais 2-D em conjunto em estreita proximidade gera inteiramente nova física”, disse Jia Li, professor assistente de física na Brown, que iniciou este trabalho, enquanto no pós-doc na Universidade de Columbia Trabalhando com Cory Dean, professor de física e Jim Hone, professor de engenharia mecânica. “Em termos de engenharia de materiais, este trabalho mostra que esses sistemas podem ser viáveis ??na criação de novos tipos de dispositivos eletrônicos que aproveitam esses novos estados quânticos de Hall.”
A pesquisa é publicada na revista Nature Physics.
É importante notar, diz Hone, Wang Fong-Jen, professor de engenharia mecânica na Columbia Engineering, que vários desses novos estados quânticos de Hall “podem ser úteis na criação de computadores quânticos tolerantes a falhas”.
O efeito Hall surge quando um campo magnético é aplicado a um material condutor em uma direção perpendicular a um fluxo de corrente. O campo magnético faz a corrente defletir, criando uma voltagem na direção transversal, chamada de voltagem Hall. A força da tensão Hall aumenta com a força do campo magnético. A versão quântica do efeito Hall foi descoberta em experimentos realizados em 1980 em baixas temperaturas e fortes campos magnéticos. As expericias mostraram que, em vez de aumentar suavemente com a intensidade do campo magnico, a voltagem Hall aumenta no modo escalonado (ou quantizado). Essas etapas são múltiplos inteiros de constantes fundamentais da natureza e são totalmente independentes da composição física do material usado nos experimentos. A descoberta recebeu o Prêmio Nobel de Física de 1985.
Alguns anos mais tarde, trabalhando a temperaturas próximas de zero e com campos magnéticos muito fortes, encontramos novos tipos de estados Hall quânticos nos quais os passos quânticos na tensão Hall correspondem a números fracionais, daí o nome de efeito Hall quântico fracionário. A descoberta do efeito Hall quântico fracionário ganhou outro Prêmio Nobel, em 1998. Teóricos mais tarde afirmaram que o efeito Hall quântico fracionário está relacionado à formação de quase-partículas chamadas férmions compostos. Nesse estado, cada elétron se combina com um quantum de fluxo magnético para formar um férmio composto carregando uma fração de carga de elétrons, originando os valores fracionários na tensão de Hall.
A teoria de férmions compostos tem sido bem sucedida em explicar uma miríade de fenômenos observados em sistemas de poços quânticos únicos. Esta nova pesquisa usou o grafeno de camada dupla para investigar o que acontece quando dois poços quânticos são aproximados. A teoria sugeriu que a interação entre duas camadas levaria a um novo tipo de férmio composto, mas isso nunca havia sido observado no experimento.
Para os experimentos, a equipe construiu muitos anos de trabalho na Columbia para melhorar a qualidade dos dispositivos de grafeno, criando dispositivos ultralimpos totalmente a partir de materiais 2-D atomicamente planos. O núcleo da estrutura consiste em duas camadas de grafeno separadas por uma fina camada de nitreto de boro hexagonal como uma barreira isolante. A estrutura de camada dupla é encapsulada por nitreto de boro hexagonal como um isolante protetor e grafite como uma porta condutora para alterar a densidade de carga do transportador no canal.
“Mais uma vez a incrível versatilidade do grafeno nos permitiu ultrapassar os limites das estruturas além do que era possível anteriormente”. diz Dean, professor de física na Universidade de Columbia. “A precisão e a capacidade de sintonização com que podemos fabricar esses dispositivos agora nos permitem explorar todo um domínio da física que recentemente se pensava ser totalmente inacessível”.
As estruturas de grafeno foram então expostas a fortes campos magnéticos – milhões de vezes mais fortes que o campo magnético da Terra. A pesquisa produziu uma série de estados Hall quânticos fracionários, alguns dos quais demonstram excelente concordância com o modelo de férmions compostos, e alguns que nunca haviam sido previstos ou vistos.
“Além dos férmions compostos entre camadas”, disse Qianhui Shi, co-primeiro autor do artigo e pesquisador de pós-doutorado na Columbia. “Um estudo mais cuidadoso revelou que, para nossa surpresa, esses novos estados resultam do emparelhamento entre férmions compostos. O pareamento da interação entre camadas adjacentes e dentro da mesma camada dá origem a uma variedade de fenômenos quânticos, tornando o grafeno de camada dupla uma plataforma empolgante. para estudar “.
“De particular interesse”, diz Hone, “são vários novos estados que têm o potencial de hospedar funções de onda não-abelianas – estados que não removem o modelo tradicional de férmions compostos”. Nos estados não-abelianos, os elétrons mantêm uma espécie de “memória” de suas posições passadas em relação umas às outras. Isso tem potencial para habilitar computadores quânticos que não exigem correção de erros, o que atualmente é um grande obstáculo no campo.
“Estes são os primeiros novos candidatos a estados não-abelianos em 30 anos”, disse Dean. “É realmente emocionante ver novas físicas emergirem de nossos experimentos”.
O estudo é intitulado “Emparelhamento de estados de férmions compostos em grafeno de dupla camada”.
Publicado em 27/06/2019
Artigo original: https://phys.org/news/2019-06-reveals-exotic-quantum-states-double-layer.html
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