Negli ultimi anni, un fenomeno chiamato effetto Hall quantistico è emerso come piattaforma per ospitare caratteristiche esotiche chiamate quasiparticelle, con proprietà che potrebbero portare a interessanti applicazioni in aree come l'informatica quantistica. Quando un forte campo magnetico viene applicato a un materiale o gas 2D, gli elettroni all'interfaccia, a differenza di quelli all'interno della massa, sono liberi di muoversi lungo i bordi in quelli che vengono chiamati modalità o canali dei bordi, in qualche modo simili alle corsie autostradali. Questo movimento del bordo, che è l'essenza dell'effetto Hall quantistico, può portare a molte proprietà interessanti a seconda del materiale e delle condizioni.

Per gli elettroni convenzionali, la corrente scorre solo in una direzione dettata dal campo magnetico ("a valle"). Tuttavia, i fisici hanno previsto che alcuni materiali possono avere canali di contropropagazione in cui alcune quasiparticelle possono anche viaggiare nella direzione opposta ("a monte"). Sebbene questi canali a monte siano di grande interesse per gli scienziati perché possono ospitare una varietà di nuovi tipi di quasiparticelle, è stato estremamente difficile identificarli perché non trasportano corrente elettrica.

In un nuovo studio, ricercatori dell'Indian Institute of Science (IISc) e collaboratori internazionali forniscono prove "pistola fumante" per la presenza di modalità a monte lungo le quali si muovono alcune quasiparticelle neutre nel grafene a due strati. Per rilevare queste modalità o canali, il team ha utilizzato un nuovo metodo che utilizza il rumore elettrico:le fluttuazioni nel segnale di uscita causate dalla dissipazione del calore.

"Sebbene le eccitazioni a monte siano a carica neutra, possono trasportare energia termica e produrre un punto di rumore lungo la direzione a monte", spiega Anindya Das, professore associato presso il Dipartimento di Fisica e corrispondente autore dello studio pubblicato su Nature Communications .

Le quasiparticelle sono in gran parte eccitazioni che si verificano quando particelle elementari come gli elettroni interagiscono tra loro o con la materia che le circonda. Non sono veramente particelle ma hanno particelle simili come massa e carica. L'esempio più semplice è un "buco", un posto vacante in cui un elettrone manca in un dato stato energetico in un semiconduttore. Ha una carica opposta all'elettrone e può muoversi all'interno di un materiale proprio come fa l'elettrone. Coppie di elettroni e lacune possono anche formare quasiparticelle che possono propagarsi lungo il bordo del materiale.

In studi precedenti, i ricercatori hanno dimostrato che potrebbe essere possibile rilevare quasiparticelle emergenti come i fermioni di Majorana nel grafene; la speranza è di sfruttare tali quasiparticelle per costruire infine computer quantistici tolleranti agli errori. Per identificare e studiare tali particelle, è fondamentale rilevare le modalità a monte che possono ospitarle. Sebbene tali modalità a monte siano state rilevate in precedenza nei sistemi a base di arseniuro di gallio, nessuna è stata finora identificata nei materiali a base di grafene e grafene, che offrono molte più promesse quando si tratta di applicazioni futuristiche.

Nel presente studio, quando i ricercatori hanno applicato un potenziale elettrico al bordo del grafene a due strati, hanno scoperto che il calore veniva trasportato solo nei canali a monte e dissipato in determinati "punti caldi" in quella direzione. In questi punti, il calore generava un rumore elettrico che poteva essere captato da un circuito di risonanza elettrica e da un analizzatore di spettro.

Gli autori hanno anche scoperto che il movimento di queste quasiparticelle nei canali a monte era "balistico" - l'energia termica scorreva da un punto caldo all'altro senza alcuna perdita - a differenza del trasporto "diffusore" osservato in precedenza nei sistemi a base di arseniuro di gallio. Un tale movimento balistico è anche indicativo della presenza di stati e caratteristiche esotici che potrebbero aiutare a costruire componenti quantistici efficienti dal punto di vista energetico e privi di errori in futuro, secondo gli autori. + Esplora ulteriormente

Particelle quantistiche esotiche:meno campo magnetico richiesto