I ricercatori della Columbia University riferiscono di aver osservato un fluido quantistico noto come stati frazionali di Hall quantistica (FQHS), una delle fasi più delicate della materia, per la prima volta in un semiconduttore 2-D monostrato. Le loro scoperte dimostrano l'eccellente qualità intrinseca dei semiconduttori 2-D e li rendono una piattaforma di test unica per future applicazioni nell'informatica quantistica. Lo studio è stato pubblicato online oggi in Nanotecnologia della natura .

"Siamo rimasti molto sorpresi di osservare questo stato nei semiconduttori 2-D perché si è generalmente ritenuto che fossero troppo sporchi e disordinati per ospitare questo effetto, "dice Cory Dean, professore di fisica alla Columbia University. "Inoltre, la sequenza FQHS nel nostro esperimento rivela un nuovo comportamento inaspettato e interessante che non abbiamo mai visto prima, e infatti suggerisce che i semiconduttori 2-D sono piattaforme quasi ideali per studiare ulteriormente FQHS."

Lo stato di Hall quantistico frazionario è un fenomeno collettivo che si verifica quando i ricercatori confinano gli elettroni in modo che si muovano in un sottile piano bidimensionale, e sottoporli a grandi campi magnetici. Scoperto per la prima volta nel 1982, l'effetto Hall quantistico frazionario è stato studiato per più di 40 anni, tuttavia rimangono ancora molte domande fondamentali. Uno dei motivi è che lo stato è molto fragile e appare solo nei materiali più puliti.

"L'osservazione del FQHS è quindi spesso vista come una pietra miliare significativa per un materiale 2-D, uno che solo i sistemi elettronici più puliti hanno raggiunto, " nota Jim Hone, Wang Fong-Jen Professore di Ingegneria Meccanica alla Columbia Engineering.

Mentre il grafene è il materiale 2-D più noto, un ampio gruppo di materiali simili è stato identificato negli ultimi 10 anni, tutto ciò può essere esfoliato fino allo spessore di un singolo strato. Una classe di questi materiali sono i dicalcogenuri dei metalli di transizione (TMD), come WSe2, il materiale utilizzato in questo nuovo studio. Come il grafene, possono essere pelati per essere atomicamente sottili, ma, a differenza del grafene, le loro proprietà sotto i campi magnetici sono molto più semplici. La sfida è stata che la qualità del cristallo dei TMD non era molto buona.

"Da quando TMD è salito sul palco, è sempre stato pensato come un materiale sporco con molti difetti, "dice Hone, il cui gruppo ha apportato miglioramenti significativi alla qualità dei DTM, spingendolo a una qualità vicina al grafene, spesso considerato il massimo standard di purezza tra i materiali 2-D.

Oltre alla qualità del campione, gli studi sui materiali semiconduttori 2-D sono stati ostacolati dalle difficoltà di stabilire un buon contatto elettrico. Per affrontare questo, i ricercatori della Columbia hanno anche sviluppato la capacità di misurare le proprietà elettroniche mediante capacità, piuttosto che i metodi convenzionali di far scorrere una corrente e misurare la resistenza. Uno dei principali vantaggi di questa tecnica è che la misurazione è meno sensibile sia allo scarso contatto elettrico che alle impurità nel materiale. Le misurazioni per questo nuovo studio sono state eseguite sotto campi magnetici molto grandi, che aiutano a stabilizzare il FQHS, presso il National High Magnetic Field Lab.

"I numeri frazionari che caratterizzano il FQHS che abbiamo osservato, i rapporti tra la particella e il numero di flusso magnetico, seguono una sequenza molto semplice, "dice Qianhui Shi, il primo autore del documento e un ricercatore post-dottorato presso la Columbia Nano Initiative. "La semplice sequenza è coerente con le aspettative teoriche generiche, ma tutti i sistemi precedenti mostrano comportamenti più complessi e irregolari. Questo ci dice che finalmente abbiamo una piattaforma quasi ideale per lo studio di FQHS, dove gli esperimenti possono essere direttamente confrontati con modelli semplici."

Tra i numeri frazionari, uno di loro ha un denominatore pari. "Osservare l'effetto Hall quantistico frazionario è stato di per sé sorprendente, vedere lo stato del denominatore pari in questi dispositivi è stato davvero sorprendente, poiché in precedenza questo stato è stato osservato solo nel migliore dei migliori dispositivi, "dice Dean.

Gli stati frazionari con denominatori pari hanno ricevuto un'attenzione speciale sin dalla loro prima scoperta alla fine degli anni '80, poiché si pensa che rappresentino un nuovo tipo di particella, uno con proprietà quantistiche diverse da qualsiasi altra particella conosciuta nell'universo. "Le proprietà uniche di queste particelle esotiche, " nota Zlatko Papic, professore associato di fisica teorica presso l'Università di Leeds, "potrebbe essere utilizzato per progettare computer quantistici protetti da molte fonti di errori".

Finora, gli sforzi sperimentali per comprendere e sfruttare gli stati pari denominatore sono stati limitati dalla loro estrema sensibilità e dal numero estremamente ridotto di materiali in cui questo stato potrebbe essere trovato. "Questo rende la scoperta dello stato pari denominatore in una piattaforma materiale nuova e diversa, davvero molto emozionante, " aggiunge Decano.

I due laboratori della Columbia University, il Dean Lab e l'Hone Group, hanno lavorato in collaborazione con il NIMS Japan, che ha fornito alcuni dei materiali, e Papi, il cui gruppo ha eseguito la modellazione computazionale degli esperimenti. Entrambi i laboratori della Columbia fanno parte del Material Research Science and Engineering Center dell'università. Questo progetto ha utilizzato anche le camere bianche sia presso la Columbia Nano Initiative che presso il City College. Le misurazioni a grandi campi magnetici sono state effettuate presso il National High Magnetic Field Laboratory, una struttura per gli utenti finanziata dalla National Science Foundation e con sede presso la Florida State University a Tallahassee, Fl.

Ora che i ricercatori hanno semiconduttori 2-D molto puliti e una sonda efficace, stanno esplorando altri stati interessanti che emergono da queste piattaforme 2-D.