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(noticias nanowerk) El electrón es la unidad básica de la electricidad porque lleva una única carga negativa. Esto es lo que nos enseñan en física en las escuelas secundarias, y esto es abrumadoramente cierto para la mayoría de los materiales de la naturaleza.
Pero en estados muy especiales de la materia, los electrones pueden fragmentarse en fracciones de su totalidad. Este fenómeno, conocido como “carga fraccionada”, es extremadamente raro y, si se puede contener y controlar, el exótico estado electrónico podría ayudar a construir computadoras cuánticas resistentes y tolerantes a fallas.
Hasta ahora, este efecto, conocido por los físicos como “efecto Hall cuántico fraccional”, se ha observado varias veces, la mayoría bajo campos magnéticos muy altos y cuidadosamente mantenidos. Más recientemente, los científicos observaron el efecto en un material que no requería una manipulación magnética tan fuerte.
![fracciones de electrones](https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news3/id64698_1.jpg)
Ahora, los físicos del MIT han observado el elusivo efecto de carga fraccionaria, esta vez en un material más simple: cinco capas de grafeno, una capa de carbono delgada como un átomo que proviene del grafito y de la mina de un lápiz común y corriente. Informan sus resultados en Naturaleza (“Efecto Hall cuántico fraccional anómalo en grafeno multicapa”).
Descubrieron que cuando se apilan cinco capas de grafeno como escalones en una escalera, la estructura resultante proporciona inherentemente las condiciones adecuadas para el paso de electrones como fracciones de su carga total, sin la necesidad de un campo magnético externo.
Los resultados son la primera evidencia del “efecto Hall anómalo cuántico fraccional” (el término “anómalo” se refiere a la ausencia de un campo magnético) en el grafeno cristalino, un material que los físicos no esperaban que exhibiera este efecto.
«Este grafeno de cinco capas es un sistema material en el que ocurren muchas sorpresas agradables», dice el autor del estudio Long Ju, profesor asistente de física en el MIT. “La carga fraccionada es muy exótica y ahora podemos lograr este efecto con un sistema mucho más simple y sin campo magnético. Esto en sí mismo es importante para la física fundamental. Y podría abrir la posibilidad de un tipo de computación cuántica que sea más resistente a las interferencias”.
Los coautores de Ju en el MIT son los autores principales Zhengguang Lu, Tonghang Han, Yuxuan Yao, Aidan Reddy, Jixiang Yang, Junseok Seo y Liang Fu, así como Kenji Watanabe y Takashi Taniguchi del Instituto Nacional de Ciencia de Materiales de Japón.
Una situación extraña
El efecto Hall cuántico fraccionario es un ejemplo de los extraños fenómenos que pueden ocurrir cuando las partículas evolucionan de comportarse como unidades individuales a comportarse colectivamente como un todo. Este comportamiento colectivo «correlacionado» ocurre en estados especiales, como cuando los electrones pasan de su velocidad normalmente rápida a un ritmo lento que permite que las partículas se sientan entre sí e interactúen. Estas interacciones pueden producir estados electrónicos raros, como la división aparentemente poco ortodoxa de la carga de un electrón.
En 1982, los científicos descubrieron el efecto Hall cuántico fraccionario en heteroestructuras de arseniuro de galio, en las que un gas de electrones confinado en un plano bidimensional está expuesto a fuertes campos magnéticos. El descubrimiento le valió más tarde al grupo el Premio Nobel de Física.
“[The discovery] «Esto fue un gran problema porque estas cargas unitarias interactuaban de tal manera que formaban algo así como una carga parcial, muy, muy extraño», dice Ju. “En aquel momento no había predicciones teóricas y los experimentos sorprendieron a todos”.
Estos investigadores lograron resultados innovadores utilizando campos magnéticos para ralentizar los electrones del material lo suficiente como para permitirles interactuar. Los campos con los que trabajaron eran aproximadamente diez veces más potentes que los que normalmente alimentan una máquina de resonancia magnética.
En agosto de 2023, científicos de la Universidad de Washington informaron de la primera evidencia de una carga parcial sin campo magnético. Observaron esta versión «anómala» del efecto en un semiconductor retorcido llamado diteluuro de molibdeno. El grupo preparó el material en una configuración específica que los teóricos predijeron que le daría al material un campo magnético inherente suficiente para promover el fraccionamiento de los electrones sin control magnético externo.
El resultado «sin imanes» abrió un camino prometedor hacia la computación cuántica topológica: una forma más segura de computación cuántica en la que el componente adicional de la topología (una propiedad que permanece sin cambios incluso bajo una deformación o perturbación débil) brinda al qubit protección adicional al realizar un cálculo. . Este esquema de cálculo se basa en una combinación de efecto Hall cuántico fraccionario y un superconductor. Antes era casi imposible detectarlo: se necesita un campo magnético fuerte para obtener una carga parcial, mientras que el mismo campo magnético suele destruir el superconductor. En este caso, las cargas parciales servirían como un qubit (la unidad básica de una computadora cuántica).
Toma medidas
Ese mismo mes, Ju y su equipo también observaron signos de carga parcial anómala en el grafeno, un material para el que no había predicciones de tal efecto.
El grupo de Ju ha investigado el comportamiento electrónico del grafeno, que en sí mismo tiene propiedades extraordinarias. Más recientemente, el grupo de Ju ha analizado el grafeno de cinco capas, una estructura formada por cinco capas de grafeno, cada una ligeramente apilada una contra la otra, como los escalones de una escalera. Esta estructura de grafeno de cinco capas está incrustada en grafito y se puede obtener exfoliando con cinta adhesiva. Cuando se colocan en un refrigerador a temperaturas ultrafrías, los electrones de la estructura se ralentizan e interactúan de una manera que normalmente no lo harían cuando giran a temperaturas más altas.
En su nuevo trabajo, los investigadores realizaron algunos cálculos y descubrieron que los electrones podrían interactuar entre sí aún más fuertemente si la estructura pentacapa estuviera alineada con nitruro de boro hexagonal (hBN), un material que tiene una estructura atómica similar al grafeno, pero con ligeramente diferentes dimensiones. Combinados, los dos materiales deberían crear una superred muaré, una estructura atómica complicada en forma de armazón que podría ralentizar los electrones de una manera que imita un campo magnético.
«Hicimos estos cálculos y luego pensamos, comencemos», dice Ju, quien instaló un nuevo refrigerador de dilución en su laboratorio del MIT el verano pasado que el equipo usaría para enfriar materiales a temperaturas extremadamente bajas para estudiar comportamientos electrónicos exóticos.
Los investigadores crearon dos muestras de la estructura híbrida del grafeno quitando primero las capas de grafeno de un bloque de grafito y luego usando herramientas ópticas para identificar escamas de cinco capas en la configuración escalonada. Luego estamparon la escama de grafeno en una escama de hBN y colocaron una segunda escama de hBN sobre la estructura de grafeno. Finalmente, conectaron electrodos a la estructura y los colocaron en el refrigerador a una temperatura cercana al cero absoluto.
Cuando aplicaron una corriente al material y midieron el voltaje de salida, comenzaron a ver firmas de una carga fraccionaria, donde el voltaje es igual a la corriente multiplicada por una fracción y algunas constantes físicas fundamentales.
«El día que lo vimos, al principio no lo reconocimos», dice el autor principal Lu. “Luego empezamos a gritar cuando nos dimos cuenta de que esto era realmente grande. Fue un momento completamente sorprendente”.
«Estas fueron probablemente las primeras muestras serias que pusimos en el nuevo refrigerador», añade el coautor Han. «Una vez que nos calmamos, miramos de cerca para asegurarnos de que lo que estábamos viendo era real».
Con un análisis más detallado, el equipo confirmó que la estructura del grafeno efectivamente exhibía el efecto Hall anómalo cuántico fraccional. Es la primera vez que se observa el efecto en el grafeno.
«El grafeno también puede ser un superconductor», afirma Ju. “De este modo se podían conseguir dos efectos completamente diferentes en el mismo material, uno al lado del otro. Usar grafeno para comunicarse con grafeno evita muchos de los efectos indeseables de conectar el grafeno a otros materiales”.
Actualmente, el grupo continúa explorando el grafeno multicapa para otros estados electrónicos raros.
«Nos sumergimos para explorar muchas ideas y aplicaciones fundamentales de la física», dice. «Sabemos que hay más por venir».
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