As partículas e fenômenos quânticos exóticos são como os atletas de elite mais ousados do mundo. Como os escaladores solo livre que escalam penhascos incrivelmente íngremes sem uma corda ou arnês, apenas as condições mais extremas os atrairão para aparecer. Para fenômenos exóticos como supercondutividade ou partículas que carregam uma fração da carga de um elétron, isso significa temperaturas extremamente baixas ou campos magnéticos extremamente altos.
Mas e se você pudesse fazer com que essas partículas e fenômenos aparecessem em condições menos extremas? Muito se tem falado sobre o potencial da supercondutividade à temperatura ambiente, mas gerar partículas exóticas com carga fracionada em um campo magnético baixo a zero é igualmente importante para o futuro dos materiais quânticos e aplicações, incluindo novos tipos de computação quântica.
Agora, uma equipe de pesquisadores da Universidade de Harvard liderada por Amir Yacoby, Professor de Física e Física Aplicada na Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas de Harvard John A. Paulson (SEAS) e Ashvin Vishwanath, Professor de Física no Departamento de Física, em colaboração com Pablo Jarillo-Herrero no Massachusetts Institute of Technology, observaram pela primeira vez estados fracionários exóticos em baixo campo magnético no grafeno de dupla camada torcida.
A pesquisa foi publicada na Nature.
“Um dos santo graal no campo da física da matéria condensada é obter partículas exóticas com campo magnético de baixo a zero”, disse Yacoby, autor sênior do estudo. “Houve previsões teóricas de que deveríamos ser capazes de ver essas partículas bizarras com campo magnético de baixo a zero, mas ninguém foi capaz de observá-lo até agora.”
Os pesquisadores estavam interessados em um estado quântico exótico específico conhecido como isoladores fracionários de Chern. Os isoladores de Chern são isolantes topológicos, o que significa que conduzem eletricidade em sua superfície ou borda, mas não no meio.
Em um isolador fracionário de Chern, as interações de elétrons formam o que é conhecido como quasipartículas, uma partícula que emerge de interações complexas entre um grande número de outras partículas. O som, por exemplo, pode ser descrito como uma quase-partícula porque emerge das interações complexas de partículas em um material. Como as partículas fundamentais, as quasipartículas têm propriedades bem definidas, como massa e carga.
Em isoladores fracionários de Chern, as interações de elétrons são tão fortes dentro do material que as quasipartículas são forçadas a carregar uma fração da carga dos elétrons normais. Essas partículas fracionárias têm propriedades quânticas bizarras que podem ser usadas para criar bits quânticos robustos que são extremamente resistentes a interferências externas.
Para construir seu isolador, os pesquisadores usaram duas folhas de grafeno torcidas juntas no chamado ângulo mágico. A torção desbloqueia propriedades novas e diferentes no grafeno, incluindo supercondutividade, conforme descoberto pela primeira vez pelo grupo de Jarillo-Herrero no MIT, e estados conhecidos como bandas de Chern, que possuem grande potencial para gerar estados quânticos fracionários, conforme mostrado teoricamente pelo grupo de Vishwanath em Harvard.
Pense nessas faixas de Chern como baldes que se enchem de elétrons.
“Em estudos anteriores, você precisava de um grande campo magnético para gerar esses baldes, que são os blocos de construção topológicos de que você precisa para obter essas partículas fracionárias exóticas”, disse Andrew T. Pierce, aluno de graduação do grupo de Yacoby e co-primeiro autor do artigo. “Mas o grafeno de dupla camada de torção de ângulo mágico já tem essas unidades topológicas úteis incorporadas a um campo magnético zero.”
Para gerar estados fracionários, os pesquisadores precisam encher os baldes em uma fração do caminho com elétrons. Mas eis o problema: para que isso funcione, todos os elétrons em um balde devem ter quase as mesmas propriedades. No grafeno de dupla camada torcida, eles não o fazem. Nesse sistema, os elétrons têm diferentes níveis de uma propriedade conhecida como curvatura de Berry, que faz com que cada elétron experimente um campo magnético vinculado ao seu momento específico. (É mais complicado do que isso, mas o que não é na física quântica?)
Ao encher os baldes, a curvatura de Berry dos elétrons precisa ser nivelada para que o estado do isolador fracionário de Chern apareça.
É aí que entra um pequeno campo magnético aplicado.
“Nós mostramos que podemos aplicar um campo magnético muito pequeno para distribuir uniformemente a curvatura de Berry entre os elétrons no sistema, permitindo-nos observar um isolador Chern fracionário no grafeno de bicamada torcida”, disse Yonglong Xie, pós-doutorando na SEAS e co- primeiro autor do artigo. “Esta pesquisa lança luz sobre a importância da curvatura de Berry para realizar estados exóticos fracionados e pode apontar para plataformas alternativas onde a curvatura de Berry não é tão heterogênea quanto é no grafeno torcido.”
“O grafeno de duas camadas torcidas é o presente que continua sendo oferecido e esta descoberta de isoladores fracionários de Chern é indiscutivelmente um dos avanços mais significativos no campo”, disse Vishwanath, autor sênior do estudo. “É surpreendente pensar que este material maravilhoso é feito basicamente da mesma coisa que a ponta de um lápis.”
“A descoberta de isoladores fracionários de Chern de baixo campo magnético em grafeno bicamada torcida de ângulo mágico abre um novo capítulo no campo da matéria quântica topológica”, disse Jarillo-Herrero, professor de Física Cecil e Ida Green do MIT e autor sênior do estudo . “Ele oferece a perspectiva realista de acoplar esses estados exóticos à supercondutividade, possivelmente permitindo a criação e o controle de quasipartículas topológicas ainda mais exóticas conhecidas como anyons.”
A pesquisa foi co-autora de Jeong Min Park, Daniel E. Parker, Eslam Khalaf, Patrick Ledwith, Yuan Cao, Seung Hwan Lee, Shaowen Chen, Patrick R. Forrester, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi.
Publicado em 19/12/2021 05h49
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