L'elettrone è l'unità base dell'elettricità, poiché trasporta una singola carica negativa. Questo è ciò che ci insegnano la fisica alle scuole superiori, ed è così in modo schiacciante nella maggior parte dei materiali in natura.
Ma in stati molto speciali della materia, gli elettroni possono frammentarsi in frazioni del loro insieme. Questo fenomeno, noto come "carica frazionaria", è estremamente raro e, se potesse essere circoscritto e controllato, l'esotico stato elettronico potrebbe aiutare a costruire computer quantistici resilienti e tolleranti ai guasti.
Fino ad oggi, questo effetto, noto ai fisici come “effetto Hall quantistico frazionario”, è stato osservato una manciata di volte, e per lo più in campi magnetici molto elevati e attentamente mantenuti. Solo di recente gli scienziati hanno visto l'effetto in un materiale che non richiedeva una manipolazione magnetica così potente.
Ora, i fisici del MIT hanno osservato l’elusivo effetto della carica frazionaria, questa volta in un materiale più semplice:cinque strati di grafene, uno strato di carbonio sottile come un atomo che deriva dalla grafite e dalla comune mina delle matite. Riportano i loro risultati in Natura .
Hanno scoperto che quando cinque fogli di grafene sono impilati come gradini su una scala, la struttura risultante fornisce intrinsecamente le condizioni giuste per il passaggio degli elettroni come frazioni della loro carica totale, senza bisogno di alcun campo magnetico esterno.
I risultati sono la prima prova dell'"effetto Hall anomalo quantistico frazionario" (il termine "anomalo" si riferisce all'assenza di un campo magnetico) nel grafene cristallino, un materiale che i fisici non si aspettavano mostrasse questo effetto.
"Questo grafene a cinque strati è un sistema materiale in cui accadono molte belle sorprese", afferma l'autore dello studio Long Ju, assistente professore di fisica al MIT. "La carica frazionaria è davvero insolita, e ora possiamo realizzare questo effetto con un sistema molto più semplice e senza campo magnetico. Questo di per sé è importante per la fisica fondamentale. E potrebbe consentire la possibilità di un tipo di calcolo quantistico più robusto contro le perturbazioni."
I coautori di Ju al MIT sono gli autori principali Zhengguang Lu, Tonghang Han, Yuxuan Yao, Aidan Reddy, Jixiang Yang, Junseok Seo e Liang Fu, insieme a Kenji Watanabe e Takashi Taniguchi dell'Istituto nazionale per la scienza dei materiali in Giappone.
L’effetto Hall quantistico frazionario è un esempio degli strani fenomeni che possono verificarsi quando le particelle passano dal comportarsi come unità individuali all’agire insieme come un tutto. Questo comportamento collettivo "correlato" emerge in stati speciali, ad esempio quando gli elettroni vengono rallentati dal loro ritmo normalmente frenetico a un passo lento che consente alle particelle di percepirsi a vicenda e interagire. Queste interazioni possono produrre stati elettronici rari, come la scissione apparentemente non ortodossa della carica di un elettrone.
Nel 1982, gli scienziati scoprirono l'effetto Hall quantistico frazionario nelle eterostrutture dell'arseniuro di gallio, dove un gas di elettroni confinato in un piano bidimensionale è posto sotto elevati campi magnetici. La scoperta valse poi al gruppo un premio Nobel per la fisica.
"[La scoperta] è stata un grosso problema, perché queste cariche unitarie che interagiscono in modo da dare qualcosa di simile alla carica frazionaria erano molto, molto bizzarre", dice Ju. "All'epoca non c'erano previsioni teoriche e gli esperimenti sorpresero tutti."
Questi ricercatori hanno ottenuto risultati rivoluzionari utilizzando i campi magnetici per rallentare gli elettroni del materiale in modo sufficiente da consentire loro di interagire. I campi con cui hanno lavorato erano circa 10 volte più potenti di quelli che normalmente alimentano una macchina per la risonanza magnetica.
Nell’agosto 2023, gli scienziati dell’Università di Washington hanno riportato la prima prova di carica frazionaria senza campo magnetico. Hanno osservato questa versione "anomala" dell'effetto, in un semiconduttore ritorto chiamato ditelluride di molibdeno. Il gruppo ha preparato il materiale in una configurazione specifica, che secondo i teorici avrebbe conferito al materiale un campo magnetico intrinseco, sufficiente a incoraggiare gli elettroni a frazionarsi senza alcun controllo magnetico esterno.
Il risultato dell’assenza di magneti ha aperto una strada promettente verso il calcolo quantistico topologico, una forma più sicura di calcolo quantistico, in cui l’ingrediente aggiunto della topologia (una proprietà che rimane invariata a fronte di deboli deformazioni o disturbi) fornisce a un qubit una protezione aggiuntiva quando si esegue un calcolo.
Questo schema di calcolo si basa su una combinazione dell'effetto Hall quantistico frazionario e di un superconduttore. In passato era quasi impossibile realizzarlo:per ottenere una carica frazionaria è necessario un forte campo magnetico, mentre lo stesso campo magnetico di solito uccide il superconduttore. In questo caso le cariche frazionarie fungerebbero da qubit (l'unità base di un computer quantistico).
Fare dei passi
Nello stesso mese, Ju e il suo team hanno osservato anche segni di carica frazionaria anomala nel grafene, un materiale per il quale non erano state effettuate previsioni per mostrare un tale effetto.
Il gruppo di Ju ha esplorato il comportamento elettronico del grafene, che di per sé ha mostrato proprietà eccezionali. Più recentemente, il gruppo di Ju ha esaminato il grafene pentastrato, una struttura di cinque fogli di grafene, ciascuno leggermente distanziato dall'altro, come i gradini di una scala.
Tale struttura di grafene pentastrato è incorporata nella grafite e può essere ottenuta mediante esfoliazione utilizzando nastro adesivo. Quando vengono collocati in un frigorifero a temperature ultrafredde, gli elettroni della struttura rallentano e interagiscono in modi che normalmente non farebbero quando sfrecciano a temperature più elevate.
Nel loro nuovo lavoro, i ricercatori hanno eseguito alcuni calcoli e hanno scoperto che gli elettroni potrebbero interagire tra loro in modo ancora più forte se la struttura del pentastrato fosse allineata con il nitruro di boro esagonale (hBN), un materiale che ha una struttura atomica simile a quella del grafene, ma con dimensioni leggermente diverse.
In combinazione, i due materiali dovrebbero produrre un superreticolo moiré, un'intricata struttura atomica simile a un'impalcatura che potrebbe rallentare gli elettroni in modo da imitare un campo magnetico.
"Abbiamo fatto questi calcoli, poi abbiamo pensato, proviamoci", dice Ju, che l'estate scorsa ha installato un nuovo frigorifero a diluizione nel suo laboratorio del MIT, che il team prevedeva di utilizzare per raffreddare i materiali fino a temperature ultra-basse, per studiare il comportamento elettronico esotico.
I ricercatori hanno fabbricato due campioni della struttura ibrida del grafene esfoliando prima gli strati di grafene da un blocco di grafite, quindi utilizzando strumenti ottici per identificare le scaglie a cinque strati nella configurazione a gradini. Hanno quindi stampato la scaglia di grafene su una scaglia di hBN e hanno posizionato una seconda scaglia di hBN sulla struttura di grafene. Infine, hanno attaccato gli elettrodi alla struttura e l'hanno posizionata nel frigorifero, impostata vicino allo zero assoluto.
Quando hanno applicato una corrente al materiale e misurato la tensione in uscita, hanno iniziato a vedere segni di carica frazionaria, dove la tensione è uguale alla corrente moltiplicata per un numero frazionario e alcune costanti fisiche fondamentali.
"Il giorno in cui l'abbiamo visto, all'inizio non l'abbiamo riconosciuto", dice il primo autore Lu. "Poi abbiamo iniziato a gridare quando ci siamo resi conto che era davvero grande. È stato un momento assolutamente sorprendente."
"Questo è stato probabilmente il primo campione serio che abbiamo inserito nel nuovo frigorifero", aggiunge il co-primo autore Han. "Una volta calmati, abbiamo guardato nel dettaglio per assicurarci che ciò che stavamo vedendo fosse reale."
Con ulteriori analisi, il team ha confermato che la struttura del grafene mostra effettivamente l’effetto Hall anomalo quantistico frazionario. È la prima volta che l'effetto viene osservato nel grafene.
"Il grafene può anche essere un superconduttore", dice Ju. "Quindi, potresti avere due effetti totalmente diversi nello stesso materiale, uno accanto all'altro. Se usi il grafene per comunicare con il grafene, eviti molti effetti indesiderati quando colleghi il grafene con altri materiali."
Per ora, il gruppo sta continuando a esplorare il grafene multistrato per altri rari stati elettronici.
"Ci stiamo tuffando per esplorare molte idee e applicazioni fisiche fondamentali", afferma. "Sappiamo che ce ne saranno altre in arrivo."
Ulteriori informazioni: Long Ju, effetto Hall anomalo quantistico frazionario nel grafene multistrato, Natura (2024). DOI:10.1038/s41586-023-07010-7. www.nature.com/articles/s41586-023-07010-7
Informazioni sul giornale: Natura
Fornito dal Massachusetts Institute of Technology
Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca, l'innovazione e l'insegnamento del MIT.
