I ricercatori della Columbia hanno osservato l'effetto Hall quantistico frazionario nel grafene a doppio strato e hanno dimostrato che questo stato esotico della materia può essere regolato da un campo elettrico.

L'effetto Hall quantistico frazionario, che può verificarsi quando gli elettroni confinati in fogli sottili sono esposti a grandi campi magnetici, è un esempio lampante di comportamento collettivo in cui migliaia di singoli elettroni si comportano come un unico sistema. Però, mentre la teoria di base che descrive questo effetto è ben consolidata, molti dettagli di questo comportamento collettivo rimangono non ben compresi, in parte perché è osservabile solo in sistemi con disordine estremamente basso.

Grafene, un foglio di carbonio atomicamente sottile, è un materiale promettente per lo studio dell'effetto Hall quantistico frazionario sia perché può essere un cristallo quasi privo di difetti, e perché i ricercatori possono "sintonizzare" la densità di carica con un elettrodo di "porta" metallico esterno e osservare come gli stati quantistici si evolvono in risposta. Negli ultimi anni, uno sforzo collaborativo presso la Columbia University che comprende ricercatori di Ingegneria Meccanica, Ingegneria Elettrica e Fisica, sviluppato una serie di tecniche di fabbricazione innovative al fine di sfruttare questa opportunità, permettendo loro di riportare la prima osservazione dell'effetto Hall quantistico frazionario nel grafene nel 2009, e la prima sintonizzazione ad ampio raggio dell'effetto nel 2011.

Un sistema ancora più interessante per lo studio dell'effetto Hall quantistico frazionario è il cosiddetto grafene a doppio strato, che consiste di due fogli di grafene impilati. In questo materiale, l'uso di due elettrodi di gate metallici (sopra e sotto) consente la regolazione indipendente della densità di carica in ogni strato, che fornisce un modo completamente nuovo di manipolare gli stati di Hall quantistici frazionari. In particolare, la teoria prevede che dovrebbe essere possibile creare stati "non abeliani" esotici che potrebbero essere utilizzati per il calcolo quantistico.

Mentre l'osservazione dell'effetto Hall quantistico frazionario nel grafene a strato singolo richiedeva semplicemente la realizzazione di dispositivi più puliti, osservare questo effetto nel grafene a doppio strato si è rivelato più difficile. "Sapevamo di poter fabbricare strutture di grafene a doppio strato molto pulite, ma abbiamo sofferto della nostra incapacità di stabilire un buon contatto elettrico poiché il grafene a doppio strato sviluppa un "band-gap" elettronico sotto gli alti campi magnetici e le basse temperature richieste per i nostri esperimenti, "dice Cory Dean, professore di fisica che si è da poco trasferito alla Columbia University, e autore principale della carta. Una svolta fondamentale è stata la riprogettazione dei dispositivi in ​​modo che la densità di carica nelle regioni di contatto potesse essere sintonizzata indipendentemente dal resto del dispositivo, che ha permesso loro di mantenere un buon contatto elettrico anche in presenza di grandi campi magnetici. "Una volta che abbiamo avuto questa nuova struttura del dispositivo, i risultati sono stati spettacolari".

Segnalazione nel 4 luglio, edizione 2014 di Scienza , il team dimostra l'esistenza dell'effetto Hall quantistico frazionario nel grafene a doppio strato e mostra prove di una transizione di fase controllabile mediante l'applicazione di campi elettrici. Una delle domande chiave per comprendere l'effetto Hall quantistico frazionario in qualsiasi sistema è identificare l'ordine associato allo stato fondamentale. Per esempio, tutti gli elettroni associati all'interno dello stato collettivo hanno lo stesso spin? Nel grafene a doppio strato questa domanda è più complessa poiché ci sono diversi gradi di simmetria in gioco contemporaneamente. Oltre a girare, gli elettroni possono polarizzarsi risiedendo spontaneamente interamente su uno strato rispetto all'altro. Questa complessità fornisce un nuovo spazio di fase interessante da esplorare per effetti nuovi e insoliti. In particolare, diverse teorie hanno previsto che l'applicazione di campi elettrici al grafene a doppio strato potrebbe consentire le transizioni tra questi ordini di stato fondamentale. "Questa è una nuova manopola sperimentale che semplicemente non è disponibile in altri sistemi, "dice James Hone, un professore di Ingegneria Meccanica e coautore della carta. Il team ha confermato per la prima volta che la variazione del campo elettrico applicato provoca una transizione di fase, ma l'esatta natura di queste diverse fasi rimane una questione aperta. "Mentre la teoria si aspetta che possiamo mettere a punto l'ordine dello stato fondamentale, la complessità del sistema rende difficile determinare esattamente quale ordine viene effettivamente realizzato, ", afferma il professore di fisica e coautore Philip Kim.

"Ecco dove è diretta la prossima fase della nostra ricerca, " dice Dean. "Le implicazioni per questo risultato potrebbero essere di vasta portata, " Aggiunge, "Anche se non vediamo ancora alcuna prova di stati non abeliani, il fatto che siamo in grado di modificare la natura dell'effetto Hall quantistico frazionario mediante campi elettrici è un primo passo davvero entusiasmante".

Sebbene gli sforzi precedenti siano stati in grado di dimostrare diversi aspetti del requisito del campione, nessun altro gruppo è stato in grado di riunire tutto questo in un unico dispositivo. Dean attribuisce questo successo all'ambiente collaborativo unico promosso alla Columbia University. "Questo è davvero un ambiente straordinario, " lui dice, aggiungendo, "Lo scambio aperto di idee tra diverse discipline rende l'ambiente alla Columbia un terreno fertile per fare grandi scienze". La fabbricazione del dispositivo e i test iniziali sono stati effettuati presso la Columbia University. La misurazione sotto grandi campi magnetici è stata quindi eseguita dal team della Columbia con l'aiuto della struttura utente del National High Magnetic Field Laboratory a Tallahassee, Florida. "Abbiamo stabilito un fantastico rapporto con l'NHFML per molti anni, "dice Dean. "Il supporto fornito dal personale NHMFL sia a livello tecnico che scientifico è stato inestimabile per i nostri sforzi".