Pesquisadores das Universidades de Brown e Columbia demonstraram estados da matéria anteriormente desconhecidos que surgem em pilhas de camada dupla de grafeno, um nanomaterial bidimensional. Esses novos estados, conhecido como efeito Hall quântico fracionário, surgem das complexas interações de elétrons dentro e através das camadas de grafeno.

"As descobertas mostram que o empilhamento de materiais 2-D em estreita proximidade gera uma física inteiramente nova, "disse Jia Li, professor assistente de física na Brown, que iniciou este trabalho enquanto um pós-doutorado em Columbia trabalhando com Cory Dean, professor de física, e Jim Hone, professor de engenharia mecânica. “Em termos de engenharia de materiais, este trabalho mostra que esses sistemas em camadas podem ser viáveis ​​na criação de novos tipos de dispositivos eletrônicos que aproveitam esses novos estados de Hall quânticos. "

A pesquisa está publicada na revista. Física da Natureza .

Mais importante, diz Hone, Wang Fong-Jen Professor de Engenharia Mecânica na Columbia Engineering, vários desses novos estados quânticos de Hall "podem ser úteis na fabricação de computadores quânticos tolerantes a falhas".

O efeito Hall surge quando um campo magnético é aplicado a um material condutor em uma direção perpendicular a um fluxo de corrente. O campo magnético faz com que a corrente seja defletida, criando uma tensão na direção transversal, chamada de tensão Hall. A intensidade da tensão Hall aumenta com a intensidade do campo magnético. A versão quântica do efeito Hall foi descoberta pela primeira vez em experimentos realizados em 1980 em baixas temperaturas e fortes campos magnéticos. Os experimentos mostraram que, em vez de aumentar suavemente com a força do campo magnético, a tensão Hall aumenta em etapas (ou quantizadas). Essas etapas são múltiplos inteiros de constantes fundamentais da natureza e são totalmente independentes da composição física do material usado nos experimentos. A descoberta recebeu o Prêmio Nobel de Física de 1985.

Alguns anos depois, pesquisadores trabalhando em temperaturas próximas do zero absoluto e com campos magnéticos muito fortes descobriram novos tipos de estados de Hall quânticos nos quais as etapas quânticas na voltagem de Hall correspondem a números fracionários, daí o nome efeito Hall quântico fracionário. A descoberta do efeito Hall quântico fracionário ganhou outro Prêmio Nobel, em 1998. Teóricos mais tarde postularam que o efeito Hall quântico fracionário está relacionado à formação de quase-partículas chamadas férmions compostos. Neste estado, cada elétron se combina com um quantum de fluxo magnético para formar um férmion composto carregando uma fração de uma carga de elétron, dando origem aos valores fracionários da tensão Hall.

A teoria de férmions compostos foi bem-sucedida em explicar uma miríade de fenômenos observados em sistemas de poços quânticos únicos. Esta nova pesquisa usou o grafeno de camada dupla para investigar o que acontece quando dois poços quânticos são aproximados. A teoria sugeriu que a interação entre duas camadas levaria a um novo tipo de férmion composto, mas isso nunca foi observado em experimentos.

Para os experimentos, a equipe construída em muitos anos de trabalho na Columbia para melhorar a qualidade dos dispositivos de grafeno, criando dispositivos ultra-limpos inteiramente de materiais 2D atomicamente planos. O núcleo da estrutura consiste em duas camadas de grafeno separadas por uma fina camada de nitreto de boro hexagonal como barreira isolante. A estrutura de camada dupla é encapsulada por nitreto de boro hexagonal como um isolante protetor, e grafite como uma porta condutora para alterar a densidade da portadora de carga no canal.

"Mais uma vez, a incrível versatilidade do grafeno nos permitiu ultrapassar os limites das estruturas de dispositivos além do que era possível anteriormente." diz Dean, um professor de física na Universidade de Columbia. "A precisão e sintonia com as quais podemos fazer esses dispositivos agora nos permite explorar todo um domínio da física que recentemente se pensava ser totalmente inacessível."

As estruturas de grafeno foram então expostas a fortes campos magnéticos - milhões de vezes mais fortes que o campo magnético da Terra. A pesquisa produziu uma série de estados Hall quânticos fracionários, alguns dos quais demonstram excelente concordância com o modelo de férmion composto, e alguns que nunca foram previstos ou vistos.

"Além dos férmions compostos interlayer, observamos outras características que não podem ser explicadas dentro do modelo de férmion composto, "disse Qianhui Shi, o co-autor do artigo e pesquisador de pós-doutorado em Columbia. "Um estudo mais cuidadoso revelou que, para nossa surpresa, esses novos estados resultam do emparelhamento entre férmions compostos. A interação de emparelhamento entre camadas adjacentes e dentro da mesma camada dá origem a uma variedade de novos fenômenos quânticos, tornando o grafeno de camada dupla uma plataforma interessante para estudar. "

"De interesse particular, "diz Hone, "há vários novos estados que têm o potencial de hospedar funções de onda não Abelianas - estados que não se encaixam perfeitamente no modelo de férmion composto tradicional." Em estados não Abelianos, os elétrons mantêm uma espécie de "memória" de suas posições anteriores em relação uns aos outros. Isso tem potencial para habilitar computadores quânticos que não requerem correção de erros, que é atualmente um grande obstáculo no campo.

"Estes são os primeiros novos candidatos a estados não Abelianos em 30 anos, "Dean disse." É realmente emocionante ver a nova física emergir de nossos experimentos. "

O estudo é intitulado "Estados de emparelhamento de férmions compostos em grafeno de camada dupla."