La carga fraccionaria de electrones surge naturalmente en el grafeno

La carga fraccionaria de electrones surge naturalmente en el grafeno
La carga fraccionaria de electrones surge naturalmente en el grafeno
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La investigación en física de materiales se ha visto cautivada recientemente por un extraño fenómeno en el que los electrones se dividen en partes de sus cargas en el grafeno. Este descubrimiento desafía nuestro conocimiento fundamental sobre los comportamientos electrónicos y podría influir en el desarrollo de futuros dispositivos cuánticos. ¿Cómo surgen estos restos electrónicos sin la necesidad de un campo magnético y cuáles son las implicaciones para la ciencia de los materiales?

Los físicos del MIT han dado un paso decisivo hacia la resolución del enigma del fraccionamiento de electrones. Su solución arroja luz sobre las condiciones que permiten la aparición de estados electrónicos exóticos en el grafeno y otros sistemas bidimensionales.

El reciente estudio intenta explicar un descubrimiento informado a principios de este año por otro grupo de físicos del MIT, dirigido por el profesor asistente Long Ju. Ju y su equipo observaron que los electrones parecen mostrar un “carga fraccionaria» en grafeno de cinco capas, una configuración que consta de cinco capas de grafeno superpuestas a una lámina de nitruro de boro de estructura similar.

Ju descubrió que cuando una corriente eléctrica pasaba a través de la estructura de cinco capas, los electrones parecían pasar como fracciones de su carga total, incluso en ausencia de un campo magnético. Los científicos habían demostrado previamente que los electrones podían dividirse en fracciones bajo la influencia de un campo magnético muy fuerte, conocido como efecto Hall cuántico fraccionario. El trabajo de Ju fue el primero en demostrar que este efecto era posible en el grafeno sin campo magnético, un fenómeno inesperado hasta hace poco.

La anómala fracción anómala del efecto Hall cuántico

Este fenómeno ha sido denominado “ Efecto Hall cuántico anómalo fraccional ”, y los teóricos intentaron explicar cómo puede surgir una carga fraccionaria del grafeno de cinco capas.

El nuevo estudio, dirigido por el profesor de física del MIT Senthil Todadri, proporciona parte de la respuesta. A través de cálculos de interacciones mecánicas cuánticas, él y sus colegas demuestran que los electrones forman una especie de estructura cristalina cuyas propiedades son ideales para permitir la aparición de fracciones electrónicas.

« Se trata de un mecanismo completamente nuevo, lo que significa que en décadas de historia, la gente nunca ha tenido un sistema que impulse estos fenómenos electrónicos fraccionados. “, dijo Senthil Todadri. Añadió: “ Esto es realmente emocionante porque hace posible todo tipo de experiencias nuevas con las que antes sólo se podía soñar. »

Un nuevo marco teórico

El estudio del MIT fue publicado la semana pasada en la revista Physical Review Letters. Otros dos equipos de investigación, uno de la Universidad Johns Hopkins y otro de Harvard, la Universidad de California en Berkeley y el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, publicaron resultados similares en el mismo número. El equipo del MIT incluye a Zhihuan Dong, PhD ’24 y al ex postdoctorado Adarsh ​​​​Patri.

En 2018, el profesor de física del MIT Pablo Jarillo-Herrero y sus colegas fueron los primeros en observar que podían surgir nuevos comportamientos electrónicos al apilar y torcer dos hojas de grafeno. Este “grafeno ángulo mágico”, como rápidamente se supo, desencadenó una nueva área de investigación llamada twistrónica, el estudio del comportamiento electrónico en materiales bidimensionales retorcidos.

« Poco después de sus experimentos, nos dimos cuenta de que estos sistemas muaré serían plataformas ideales en general para encontrar las condiciones que permitan el surgimiento de estas fases electrónicas fraccionadas. “, explicó el profesor Todadri, quien colaboró ​​con Jarillo-Herrero en un estudio el mismo año para demostrar que, en teoría, tales sistemas retorcidos podrían exhibir carga fraccionaria sin un campo magnético.

Sorpresas experimentales

En septiembre de 2023, Todadri mantuvo una conversación vía Zoom con Ju, quien conocía su trabajo teórico y había mantenido contacto a través de su propia investigación experimental. Ju le mostró datos donde había observado estas fracciones electrónicas en grafeno de cinco capas, lo cual fue una gran sorpresa porque no coincidía con las predicciones iniciales.

En su artículo de 2018, Todadri predijo que la carga fraccionaria debería surgir de una fase precursora caracterizada por un giro particular en la función de onda electrónica. Había teorizado que las propiedades cuánticas de un electrón deberían tener un cierto giro o grado de manipulación posible sin cambiar su estructura inherente. Este giro, predijo, debería aumentar con el número de capas de grafeno añadidas a una estructura muaré determinada.

« Para el grafeno de cinco capas, pensamos que la función de onda se retorcería cinco veces y que esto sería un precursor de las fracciones electrónicas. “, dijo Todadri. “Pero hizo sus experimentos y descubrió que se torcía, pero sólo una vez. Esto planteó entonces una gran pregunta: ¿cómo deberíamos pensar sobre lo que vemos? »

Leyenda de la ilustración: Un cristal de nube de electrones podría explicar la desconcertante carga fraccionaria descubierta recientemente en el grafeno multicapa.

Artículo : « Teoría de las fases de pasillo anómalas cuánticas en estructuras de muaré de grafeno romboédrico pentacapa » – DOI: 1721.1/157541

Fuente: MIT

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