I ricercatori delle università Brown e Columbia hanno dimostrato stati della materia precedentemente sconosciuti che si presentano in pile a doppio strato di grafene, un nanomateriale bidimensionale. Questi nuovi stati, noto come effetto Hall quantistico frazionario, derivano dalle complesse interazioni degli elettroni sia all'interno che attraverso gli strati di grafene.

"I risultati mostrano che l'impilamento di materiali 2D in stretta vicinanza genera una fisica completamente nuova, " ha detto Jia Li, assistente professore di fisica alla Brown, che ha iniziato questo lavoro mentre era post-doc alla Columbia lavorando con Cory Dean, professore di fisica, e Jim Hone, professore di ingegneria meccanica. "In termini di ingegneria dei materiali, questo lavoro mostra che questi sistemi a strati potrebbero essere praticabili nella creazione di nuovi tipi di dispositivi elettronici che sfruttano questi nuovi stati di Hall quantistica".

La ricerca è pubblicata sulla rivista Fisica della natura .

È importante sottolineare che dice Hone, Wang Fong-Jen Professore di Ingegneria Meccanica presso la Columbia Engineering, molti di questi nuovi stati di Hall quantistica "potrebbero essere utili per realizzare computer quantistici tolleranti ai guasti".

L'effetto Hall emerge quando un campo magnetico viene applicato a un materiale conduttore in direzione perpendicolare a un flusso di corrente. Il campo magnetico fa deviare la corrente, creando una tensione nella direzione trasversale, chiamata tensione di Hall. L'intensità della tensione di Hall aumenta con l'intensità del campo magnetico. La versione quantistica dell'effetto Hall è stata scoperta per la prima volta in esperimenti eseguiti nel 1980 a basse temperature e forti campi magnetici. Gli esperimenti hanno mostrato che invece di aumentare gradualmente con l'intensità del campo magnetico, la tensione di Hall aumenta in modo graduale (o quantizzato). Questi passaggi sono multipli interi di costanti fondamentali della natura e sono del tutto indipendenti dalla composizione fisica del materiale utilizzato negli esperimenti. La scoperta è stata insignita del Premio Nobel per la Fisica nel 1985.

Pochi anni dopo, i ricercatori che lavorano a temperature prossime allo zero assoluto e con campi magnetici molto forti hanno scoperto nuovi tipi di stati quantistici di Hall in cui i passaggi quantistici nella tensione di Hall corrispondono a numeri frazionari, da qui il nome effetto Hall quantistico frazionario. La scoperta dell'effetto Hall quantistico frazionario ha vinto un altro premio Nobel, nel 1998. I teorici in seguito ipotizzarono che l'effetto Hall quantistico frazionario fosse correlato alla formazione di quasi-particelle chiamate fermioni compositi. In questo stato, ogni elettrone si combina con un quanto di flusso magnetico per formare un fermione composito che trasporta una frazione di carica dell'elettrone dando origine ai valori frazionari in tensione di Hall.

La teoria del fermione composito è riuscita a spiegare una miriade di fenomeni osservati in sistemi di pozzi quantistici singoli. Questa nuova ricerca ha utilizzato il grafene a doppio strato per studiare cosa succede quando due pozzi quantistici vengono avvicinati. La teoria aveva suggerito che l'interazione tra due strati avrebbe portato a un nuovo tipo di fermione composito, ma questo non era mai stato osservato nell'esperimento.

Per gli esperimenti, il team si è basato su molti anni di lavoro alla Columbia per migliorare la qualità dei dispositivi al grafene, creando dispositivi ultra-puliti interamente da materiali 2D atomicamente piatti. Il nucleo della struttura è costituito da due strati di grafene separati da un sottile strato di nitruro di boro esagonale come barriera isolante. La struttura a doppio strato è incapsulata da nitruro di boro esagonale come isolante protettivo, e grafite come porta conduttiva per modificare la densità dei portatori di carica nel canale.

"Ancora una volta l'incredibile versatilità del grafene ci ha permesso di spingere i confini delle strutture dei dispositivi oltre ciò che era possibile in precedenza". dice Decano, professore di fisica alla Columbia University. "La precisione e la sintonizzabilità con cui possiamo realizzare questi dispositivi ci consente ora di esplorare un intero regno della fisica che solo di recente si pensava fosse totalmente inaccessibile".

Le strutture del grafene sono state quindi esposte a forti campi magnetici, milioni di volte più forti del campo magnetico terrestre. La ricerca ha prodotto una serie di stati di Hall quantistici frazionari, alcuni dei quali dimostrano un eccellente accordo con il modello fermionico composito, e alcuni che non erano mai stati previsti o visti.

"A parte i fermioni compositi intercalari, abbiamo osservato altre caratteristiche che non possono essere spiegate all'interno del modello fermionico composito, " disse Qianhui Shi, il co-primo autore del documento e ricercatore post-dottorato alla Columbia. "Uno studio più attento ha rivelato che, con nostra sorpresa, questi nuovi stati risultano dall'accoppiamento tra fermioni compositi. L'interazione di coppia tra strati adiacenti e all'interno dello stesso strato dà origine a una varietà di nuovi fenomeni quantistici, rendendo il grafene a doppio strato un'entusiasmante piattaforma di studio".

"Di particolare interesse, "dice Hone, "ci sono diversi nuovi stati che hanno il potenziale di ospitare funzioni d'onda non abeliane, stati che non si adattano perfettamente al tradizionale modello di fermioni compositi". Negli stati non abeliani, gli elettroni mantengono una sorta di "memoria" delle loro posizioni passate l'uno rispetto all'altro. Ciò ha il potenziale per abilitare computer quantistici che non richiedono la correzione degli errori, che è attualmente un grosso ostacolo nel campo.

"Questi sono i primi nuovi candidati per gli stati non abeliani in 30 anni, " Ha detto Dean. "E 'davvero eccitante vedere la nuova fisica emergere dai nostri esperimenti."

Lo studio è intitolato "Stati di accoppiamento di fermioni compositi nel grafene a doppio strato".