Il cosiddetto stato 5/2 ha confuso gli scienziati per diversi decenni. Mentre tutte le particelle conosciute nell'universo sono classificate come bosoni o fermioni, lo stato 5/2, che emerge solo in un gas di elettroni 2-D sotto grandi campi magnetici, si pensa che sia un nuovo tipo esotico di particella che non si adatta a nessuna delle due descrizioni. In precedenza questo stato è stato osservato solo nelle eterostrutture di semiconduttori a più alta mobilità quando raffreddate a temperature di milikelvin, rendendo difficile confermare le sue proprietà attese. Recentemente però, i ricercatori della Columbia hanno trovato prove di uno stato equivalente nel grafene a doppio strato, apparendo a temperature più di 10 volte maggiori rispetto ai sistemi convenzionali. Credito:Cory Dean/Columbia University
5 ottobre 2017—Un team guidato da Cory Dean, assistente professore di fisica alla Columbia University, e James Hone, Wang Fong-Jen Professore di Ingegneria Meccanica presso la Columbia Engineering, ha definitivamente osservato un'anomalia intensamente studiata nella fisica della materia condensata - lo stato di Hall quantistica frazionaria (FQH) a denominatore pari - tramite la misurazione del trasporto nel grafene a doppio strato. Lo studio è pubblicato online oggi in Scienza .
"Osservare lo stato 5/2 in qualsiasi sistema è una straordinaria opportunità scientifica, poiché racchiude alcuni dei concetti più sconcertanti della moderna fisica della materia condensata, come l'emergenza, formazione di quasi-particelle, quantizzazione, e anche la superconduttività, " Dean dice. "La nostra osservazione che, nel grafene a doppio strato, lo stato 5/2 sopravvive a temperature molto più alte di quanto precedentemente ritenuto possibile non solo ci permette di studiare questo fenomeno in modi nuovi, ma sposta anche la nostra visione dello stato FQH dall'essere in gran parte una curiosità scientifica all'avere ora un grande potenziale per le applicazioni del mondo reale, in particolare nell'informatica quantistica".
Scoperto per la prima volta negli anni '80 in eterostrutture di arseniuro di gallio (GaAs), lo stato della sala quantistica frazionaria 5/2 rimane la singolare eccezione alla regola altrimenti rigorosa che dice che gli stati della sala quantistica frazionaria possono esistere solo con denominatori dispari. Subito dopo la scoperta, lavoro teorico ha suggerito che questo stato potrebbe rappresentare un tipo esotico di superconduttore, notevole in parte per la possibilità che una tale fase possa consentire un approccio fondamentalmente nuovo al calcolo quantistico. Però, la conferma di queste teorie è rimasta sfuggente, in gran parte a causa della natura fragile dello stato; in GaAs è osservabile solo nei campioni di altissima qualità e anche allora appare solo a temperature di milikelvin (fino a 10, 000 volte più freddo del punto di congelamento dell'acqua).
Il team della Columbia ha ora osservato questo stesso stato nel grafene a doppio strato e appare a temperature molto più elevate, raggiungendo diversi Kelvin. "Anche se è ancora 100 volte più freddo del punto di congelamento dell'acqua, vedere lo stato del denominatore pari a queste temperature apre le porte a una serie completamente nuova di strumenti sperimentali che prima erano impensabili, " dice Dean. "Dopo diversi decenni di sforzi da parte di ricercatori di tutto il mondo, potremmo finalmente essere vicini a risolvere il mistero del 5/2."
Uno dei problemi in sospeso nel campo della moderna fisica della materia condensata è la comprensione del fenomeno di "emergenza, " il risultato di una vasta collezione di particelle quantistiche che si comportano di concerto a causa delle interazioni tra le particelle e danno origine a nuove caratteristiche che non sono una caratteristica delle singole parti. Ad esempio, nei superconduttori, un gran numero di elettroni collassa tutti in un singolo stato quantico, che può quindi propagarsi attraverso un metallo senza alcuna perdita di energia. L'effetto Hall quantistico frazionario è un altro stato in cui gli elettroni colludono tra loro, in presenza di un campo magnetico, con conseguente quasiparticelle con proprietà quantistiche potenzialmente esotiche.
Molto difficile da prevedere in teoria, l'emergenza spesso sfida la nostra comprensione fondamentale di come si comportano le particelle. Per esempio, poiché due elettroni qualsiasi hanno la stessa carica, pensiamo agli elettroni come oggetti che si vogliono respingere. Però, in un metallo superconduttore, gli elettroni si accoppiano inaspettatamente, formando un nuovo oggetto noto come una coppia di bottai. I singoli elettroni si disperdono quando si muovono attraverso un metallo, dando luogo a resistenza, ma le coppie di rame formate spontaneamente si comportano collettivamente in modo tale da muoversi attraverso il materiale senza alcuna resistenza.
"Pensa di provare a farti strada tra la folla a un concerto rock in cui tutti ballano con molta energia e ti urtano costantemente, rispetto a una pista da ballo in cui le coppie di ballerini si muovono tutte allo stesso modo, modo accuratamente coreografato, ed è facile evitarsi l'un l'altro, " dice Dean. "Uno dei motivi che rende così affascinante l'effetto Hall quantistico frazionario a denominatore pari è che si crede che la sua origine sia molto simile a quella di un superconduttore, ma, invece di formare semplicemente coppie di rame, emerge un tipo completamente nuovo di particella quantistica."
Secondo la meccanica quantistica, le particelle elementari si dividono in due categorie, Fermioni e Bosoni, e si comportano in modi molto diversi. due fermioni, come gli elettroni, non può occupare lo stesso stato, ed è per questo, Per esempio, gli elettroni negli atomi riempiono orbitali successivi. bosoni, come fotoni, o particelle di luce, può occupare lo stesso stato, permettendo loro di agire coerentemente come nell'emissione di luce da un laser. Quando due particelle identiche vengono scambiate, la funzione d'onda della meccanica quantistica che descrive il loro stato combinato viene moltiplicata per un fattore di fase di 1 per i bosoni, e -1 per Fermioni.
Subito dopo la scoperta dell'effetto hall quantistico frazionario, è stato suggerito su basi teoriche che le quasiparticelle associate a questo stato non si comportino né come bosoni né come fermioni, ma invece ciò che viene chiamato un anyon:quando vengono scambiate quasiparticelle anyon, il fattore di fase non è né 1 né -1 ma è frazionario. Nonostante decenni di sforzi, non ci sono ancora prove sperimentali conclusive che confermino che queste quasiparticelle sono anioni. Si pensa che lo stato 5/2, un qualunque non abeliano, sia ancora più esotico. In teoria, Gli anyoni non abeliani obbediscono alle statistiche anyonic come in altri stati di Hall quantistici frazionari, ma con la particolarità che questa fase non può essere annullata semplicemente invertendo il processo. Questa incapacità di svolgere semplicemente la fase renderebbe tutte le informazioni memorizzate nel sistema stabili in modo univoco, ed è per questo che molte persone credono che il 5/2 potrebbe essere un ottimo candidato per il calcolo quantistico.
"La dimostrazione delle statistiche 5/2 previste rappresenterebbe un risultato straordinario, " dice Dean. "Per molti versi, questo confermerebbe che, fabbricando un sistema materiale con il giusto spessore e il giusto numero di elettroni, e poi applicando i giusti campi magnetici, potremmo effettivamente progettare classi di particelle fondamentalmente nuove, con proprietà che altrimenti non esistono tra le particelle note che si trovano naturalmente nell'universo. Non abbiamo ancora prove conclusive che lo stato 5/2 mostri proprietà non abeliane, ma la nostra scoperta di questo stato nel grafene a doppio strato apre nuove entusiasmanti opportunità per testare queste teorie".
Fino ad ora, tutte queste condizioni dovevano essere non solo giuste ma anche estreme. Nei semiconduttori convenzionali, gli stati a denominatore pari sono molto difficili da isolare, ed esistono solo per materiali ultra puri, a temperature estremamente basse e campi magnetici elevati. Mentre alcune caratteristiche dello stato sono state osservabili escogitando esperimenti che potrebbero indagare sullo stato senza distruggerlo, è stato impegnativo.
"Avevamo bisogno di una nuova piattaforma, " dice Hone. "Con il successo dell'isolamento del grafene, questi strati atomicamente sottili di atomi di carbonio sono emersi come una piattaforma promettente per lo studio degli elettroni in 2D in generale. Una delle chiavi è che gli elettroni nel grafene interagiscono ancora più fortemente rispetto ai sistemi di elettroni 2D convenzionali, teoricamente rendendo ancora più robusti effetti come lo stato a denominatore pari. Ma mentre ci sono state previsioni secondo cui il grafene a doppio strato potrebbe ospitare gli stati a denominatore pari a lungo ricercati, a temperature più elevate rispetto a prima, queste previsioni non sono state realizzate principalmente a causa della difficoltà di rendere il grafene sufficientemente pulito".
Il team Columbia si è basato su molti anni di lavoro pionieristico per migliorare la qualità dei dispositivi al grafene, creando dispositivi ultra-puliti interamente da materiali 2D atomicamente piatti:grafene a doppio strato per il canale conduttivo, nitruro di boro esagonale come isolante protettivo, e grafite utilizzata per i collegamenti elettrici e come porta conduttiva per modificare la densità dei portatori di carica nel canale.
Una componente cruciale della ricerca è stata l'accesso agli strumenti per i campi magnetici elevati disponibili presso il National High Magnetic Field Laboratory di Tallahassee, Fla., una struttura per gli utenti finanziata a livello nazionale con la quale Hone e Dean hanno avuto ampie collaborazioni. Hanno studiato la conduzione elettrica attraverso i loro dispositivi sotto campi magnetici fino a 34 Tesla, e ha ottenuto una chiara osservazione degli stati a denominatore pari.
"Inclinando il campione rispetto al campo magnetico, siamo stati in grado di fornire una nuova conferma che questo stato FQH ha molte delle proprietà previste dalla teoria, come essere spin-polarizzato, " dice Jia Li, l'autore principale del documento e ricercatore post-dottorato che lavora con Dean e Hone. "Abbiamo anche scoperto che nel grafene a doppio strato, questo stato può essere manipolato in modi che non sono possibili nei materiali convenzionali".
Il risultato della squadra Columbia, che dimostra la misurazione nel trasporto - come gli elettroni fluiscono nel sistema - è un passo avanti cruciale verso la conferma della possibile origine esotica dello stato del denominatore pari. I loro risultati sono riportati contemporaneamente a un rapporto simile da un gruppo di ricerca dell'Università della California, Santa Barbara. Lo studio dell'UCSB ha osservato lo stato del denominatore pari mediante misurazione della capacità, che sonda l'esistenza di un gap elettrico associato all'insorgenza dello stato.
Il team si aspetta che le robuste misurazioni che hanno ora osservato nel grafene a doppio strato consentiranno nuovi esperimenti che potrebbero dimostrare definitivamente la sua natura non abeliana. Una volta stabilito questo, il team spera di iniziare a dimostrare il calcolo utilizzando lo stato del denominatore pari.
"Per molti decenni si è pensato che se lo stato 5/2 rappresenta davvero un anyon non abeliano, potrebbe teoricamente rivoluzionare gli sforzi per costruire un computer quantistico, " Dean osserva. "In passato, però, le condizioni estreme necessarie per vedere lo stato a tutti, figuriamoci usarlo per il calcolo, sono sempre stati una delle principali preoccupazioni di praticità. I nostri risultati sul grafene a doppio strato suggeriscono che questo sogno potrebbe ora non essere così lontano dalla realtà".
