Los electrones se convierten en fracciones de sí mismos en el grafeno

El electrón es la unidad básica de la electricidad, ya que lleva una única carga negativa. Esto es lo que nos enseñan en física en la escuela secundaria, y es abrumadoramente el caso en la mayoría de los materiales de la naturaleza.

Pero en estados muy especiales de la materia, los electrones pueden fragmentarse en fracciones de su totalidad. Este fenómeno, conocido como “carga fraccionada”, es extremadamente raro y, si se puede acorralar y controlar, el exótico estado electrónico podría ayudar a construir computadoras cuánticas resistentes y tolerantes a fallas.

Hasta la fecha, este efecto, conocido por los físicos como “efecto Hall cuántico fraccionario”, se ha observado varias veces, y la mayoría de las veces bajo campos magnéticos muy altos y cuidadosamente mantenidos. Sólo recientemente los científicos han visto el efecto en un material que no requería una manipulación magnética tan poderosa.

Ahora, los físicos del MIT han observado el elusivo efecto de carga fraccionaria, esta vez en un material más simple: cinco capas de grafeno, una capa de carbono delgada como un átomo que proviene del grafito y la mina de un lápiz común. La revista Nature ha sido la encargada de publicar sus resultados.

El método

Descubrieron que cuando se apilan cinco láminas de grafeno como escalones en una escalera, la estructura resultante proporciona inherentemente las condiciones adecuadas para que los electrones pasen como fracciones de su carga total, sin necesidad de ningún campo magnético externo.

Los resultados son la primera evidencia del “efecto Hall anómalo cuántico fraccional” (el término “anómalo” se refiere a la ausencia de un campo magnético) en el grafeno cristalino, un material que los físicos no esperaban que exhibiera este efecto.

"Este grafeno de cinco capas es un sistema material en el que ocurren muchas buenas sorpresas", dice el autor del estudio Long Ju, profesor asistente de física en el MIT. “La carga fraccionada es muy exótica y ahora podemos lograr este efecto con un sistema mucho más simple y sin campo magnético. Esto en sí mismo es importante para la física fundamental. Y podría permitir la posibilidad de un tipo de computación cuántica que sea más robusta contra las perturbaciones”.

Los coautores de Ju en el MIT son el autor principal Zhengguang Lu, Tonghang Han, Yuxuan Yao, Aidan Reddy, Jixiang Yang, Junseok Seo y Liang Fu, junto con Kenji Watanabe y Takashi Taniguchi del Instituto Nacional de Ciencia de Materiales de Japón.

Un estado extraño

El efecto Hall cuántico fraccionario es un ejemplo de los extraños fenómenos que pueden surgir cuando las partículas pasan de comportarse como unidades individuales a actuar juntas como un todo. Este comportamiento colectivo "correlacionado" surge en estados especiales, por ejemplo, cuando los electrones se desaceleran desde su ritmo normalmente frenético hasta un avance que permite a las partículas detectarse entre sí e interactuar. Estas interacciones pueden producir estados electrónicos raros, como la división aparentemente poco ortodoxa de la carga de un electrón.

En 1982, los científicos descubrieron el efecto Hall cuántico fraccionario en heteroestructuras de arseniuro de galio, donde un gas de electrones confinados en un plano bidimensional se coloca bajo fuertes campos magnéticos. Posteriormente, el descubrimiento le valió al grupo el Premio Nobel de Física.

"[El descubrimiento] fue algo muy importante, porque estas cargas unitarias interactuando de una manera para dar algo así como una carga fraccionaria era muy, muy extraño", dice Ju. "En aquel momento no había predicciones teóricas y los experimentos sorprendieron a todos".

Esos investigadores lograron resultados innovadores utilizando campos magnéticos para ralentizar los electrones del material lo suficiente como para que pudieran interactuar. Los campos con los que trabajaron eran aproximadamente 10 veces más potentes que los que normalmente impulsan una máquina de resonancia magnética.

Sin campo magnético

En agosto de 2023, científicos de la Universidad de Washington informaron sobre la primera evidencia de carga fraccionada sin campo magnético. Observaron esta versión "anómala" del efecto, en un semiconductor retorcido llamado ditelururo de molibdeno. El grupo preparó el material en una configuración específica, que los teóricos predijeron que le daría al material un campo magnético inherente, suficiente para alentar a los electrones a fraccionarse sin ningún control magnético externo.

El resultado de “no tener imanes” abrió una ruta prometedora hacia la computación cuántica topológica, una forma más segura de computación cuántica, en la que el ingrediente añadido de la topología (una propiedad que permanece sin cambios ante una deformación o perturbación débil) brinda protección adicional al qubit. al realizar un cálculo.

Este esquema de cálculo se basa en una combinación de efecto Hall cuántico fraccionario y un superconductor. Antes era casi imposible darse cuenta: se necesita un campo magnético fuerte para obtener una carga fraccionaria, mientras que el mismo campo magnético normalmente mata al superconductor. En este caso, las cargas fraccionarias servirían como un qubit (la unidad básica de una computadora cuántica).

El proceso

Ese mismo mes, Ju y su equipo también observaron signos de carga fraccionaria anómala en el grafeno, un material para el que no había habido predicciones de que exhibiera tal efecto.

El grupo de Ju ha estado explorando el comportamiento electrónico del grafeno, que por sí solo ha exhibido propiedades excepcionales. Más recientemente, el grupo de Ju ha estudiado el grafeno pentacapa, una estructura de cinco láminas de grafeno, cada una apilada ligeramente separada de la otra, como escalones en una escalera.

Esta estructura de grafeno pentacapa está incrustada en grafito y se puede obtener mediante exfoliación con cinta adhesiva. Cuando se colocan en un refrigerador a temperaturas ultrafrías, los electrones de la estructura se ralentizan e interactúan de una manera que normalmente no lo harían cuando giran a temperaturas más altas.

En su nuevo trabajo, los investigadores hicieron algunos cálculos y descubrieron que los electrones podrían interactuar entre sí aún más fuertemente si la estructura pentacapa estuviera alineada con nitruro de boro hexagonal (hBN), un material que tiene una estructura atómica similar a la del grafeno, pero con dimensiones ligeramente diferentes. En combinación, los dos materiales deberían producir una superred muaré, una intrincada estructura atómica similar a un andamio que podría ralentizar los electrones de maneras que imitan un campo magnético.

"Hicimos estos cálculos y luego pensamos, hagámoslo", dice Ju, quien instaló un nuevo refrigerador de dilución en su laboratorio del MIT el verano pasado, que el equipo planeaba utilizar para enfriar materiales a temperaturas ultrabajas, para estudiar materiales exóticos. comportamiento electrónico.

El final

Los investigadores fabricaron dos muestras de la estructura híbrida del grafeno exfoliando primero las capas de grafeno de un bloque de grafito y luego utilizando herramientas ópticas para identificar escamas de cinco capas en la configuración escalonada. Luego estamparon la escama de grafeno en una escama de hBN y colocaron una segunda escama de hBN sobre la estructura de grafeno. Finalmente, conectaron electrodos a la estructura y la colocaron en el refrigerador, ajustado casi al cero absoluto.

Cuando aplicaron una corriente al material y midieron la salida de voltaje, comenzaron a ver firmas de carga fraccionaria, donde el voltaje es igual a la corriente multiplicada por un número fraccionario y algunas constantes físicas fundamentales.

"El día que lo vimos, al principio no lo reconocimos", dice el primer autor Lu. “Entonces empezamos a gritar cuando nos dimos cuenta de que esto era realmente grande. Fue un momento completamente sorprendente”.

"Esta fue probablemente la primera muestra seria que pusimos en el nuevo refrigerador", añade el coautor Han. “Una vez que nos calmamos, miramos detalladamente para asegurarnos de que lo que estábamos viendo era real”.

Otros apuntes con el grafeno

Con análisis más detallados, el equipo confirmó que la estructura del grafeno efectivamente exhibía el efecto Hall anómalo cuántico fraccional. Es la primera vez que se observa el efecto en el grafeno.

"El grafeno también puede ser un superconductor", afirma Ju. “Entonces, podrías tener dos efectos totalmente diferentes en el mismo material, uno al lado del otro. Si usas grafeno para hablar con el grafeno, se evitan muchos efectos no deseados al unir el grafeno con otros materiales”.

Por ahora, el grupo continúa explorando el grafeno multicapa para otros estados electrónicos raros.

"Estamos sumergiéndonos en la exploración de muchas ideas y aplicaciones fundamentales de la física", afirma. "Sabemos que habrá más por venir".

Esta investigación cuenta con el apoyo parcial de la Fundación Sloan y la Fundación Nacional de Ciencias.

Fuente: MIT