O elétron é a unidade básica da eletricidade, pois carrega uma única carga negativa. Isso é o que aprendemos na física do ensino médio, e é esmagadoramente o caso na maioria dos materiais da natureza.



Mas em estados muito especiais da matéria, os elétrons podem se fragmentar em frações do seu todo. Este fenômeno, conhecido como “carga fracionária”, é extremamente raro e, se puder ser controlado e controlado, o estado eletrônico exótico poderá ajudar a construir computadores quânticos resilientes e tolerantes a falhas.

Até à data, este efeito, conhecido pelos físicos como “efeito Hall quântico fracionário”, foi observado algumas vezes, e principalmente sob campos magnéticos muito elevados e cuidadosamente mantidos. Só recentemente os cientistas observaram o efeito num material que não exigia uma manipulação magnética tão poderosa.

Agora, os físicos do MIT observaram o indescritível efeito da carga fracionária, desta vez em um material mais simples:cinco camadas de grafeno – uma camada de carbono da espessura de um átomo que provém do grafite e da grafite comum. Eles relatam seus resultados na Natureza .

Eles descobriram que quando cinco folhas de grafeno são empilhadas como degraus de uma escada, a estrutura resultante fornece inerentemente as condições certas para a passagem dos elétrons como frações de sua carga total, sem necessidade de qualquer campo magnético externo.

Os resultados são a primeira evidência do “efeito Hall anômalo quântico fracionário” (o termo “anômalo” refere-se à ausência de campo magnético) no grafeno cristalino, um material que os físicos não esperavam que exibisse esse efeito.

“Este grafeno de cinco camadas é um sistema material onde muitas surpresas boas acontecem”, diz o autor do estudo Long Ju, professor assistente de física no MIT. "A carga fracionária é tão exótica, e agora podemos perceber esse efeito com um sistema muito mais simples e sem campo magnético. Isso por si só é importante para a física fundamental. E poderia permitir a possibilidade de um tipo de computação quântica que é mais robusto contra perturbações."

Os coautores de Ju no MIT são o autor principal Zhengguang Lu, Tonghang Han, Yuxuan Yao, Aidan Reddy, Jixiang Yang, Junseok Seo e Liang Fu, junto com Kenji Watanabe e Takashi Taniguchi do Instituto Nacional de Ciência de Materiais do Japão.

Um estado bizarro

O efeito Hall quântico fracionário é um exemplo dos fenômenos estranhos que podem surgir quando as partículas deixam de se comportar como unidades individuais e passam a agir juntas como um todo. Este comportamento colectivo "correlacionado" emerge em estados especiais, por exemplo, quando os electrões são desacelerados do seu ritmo normalmente frenético para um movimento lento que permite às partículas sentirem-se umas às outras e interagirem. Essas interações podem produzir estados eletrônicos raros, como a divisão aparentemente pouco ortodoxa da carga de um elétron.

Em 1982, os cientistas descobriram o efeito Hall quântico fracionário em heteroestruturas de arsenieto de gálio, onde um gás de elétrons confinado em um plano bidimensional é colocado sob fortes campos magnéticos. A descoberta mais tarde rendeu ao grupo o Prêmio Nobel de Física.

“[A descoberta] foi um grande negócio, porque estas cargas unitárias interagindo de uma forma para dar algo como carga fracionária foi muito, muito bizarra”, diz Ju. “Na época, não havia previsões teóricas e os experimentos surpreenderam a todos”.

Esses pesquisadores alcançaram resultados inovadores usando campos magnéticos para desacelerar os elétrons do material o suficiente para que eles interagissem. Os campos com os quais trabalharam eram cerca de 10 vezes mais fortes do que normalmente alimentam uma máquina de ressonância magnética.

Em agosto de 2023, cientistas da Universidade de Washington relataram a primeira evidência de carga fracionária sem campo magnético. Eles observaram esta versão “anômala” do efeito, em um semicondutor torcido chamado ditelureto de molibdênio. O grupo preparou o material em uma configuração específica, que os teóricos previram que daria ao material um campo magnético inerente, suficiente para estimular a fracionamento dos elétrons sem qualquer controle magnético externo.

O resultado "sem ímãs" abriu um caminho promissor para a computação quântica topológica - uma forma mais segura de computação quântica, na qual o ingrediente adicional da topologia (uma propriedade que permanece inalterada diante de deformação ou perturbação fraca) fornece proteção adicional a um qubit. ao realizar um cálculo.

Este esquema de computação é baseado em uma combinação de efeito Hall quântico fracionário e um supercondutor. Costumava ser quase impossível perceber:é necessário um campo magnético forte para obter carga fracionária, enquanto o mesmo campo magnético normalmente mataria o supercondutor. Neste caso as cargas fracionárias serviriam como um qubit (a unidade básica de um computador quântico).

Executando etapas

Naquele mesmo mês, Ju e sua equipe também observaram sinais de carga fracionária anômala no grafeno – um material para o qual não havia previsões de exibir tal efeito.

O grupo de Ju tem explorado o comportamento eletrônico do grafeno, que por si só apresenta propriedades excepcionais. Mais recentemente, o grupo de Ju investigou o grafeno pentacamada – uma estrutura de cinco folhas de grafeno, cada uma empilhada ligeiramente uma da outra, como degraus de uma escada.

Essa estrutura de pentacamada de grafeno está embutida em grafite e pode ser obtida por esfoliação com fita adesiva. Quando colocados em uma geladeira em temperaturas ultrabaixas, os elétrons da estrutura diminuem a velocidade e interagem de maneiras que normalmente não fariam quando giram em temperaturas mais altas.

Em seu novo trabalho, os pesquisadores fizeram alguns cálculos e descobriram que os elétrons poderiam interagir uns com os outros ainda mais fortemente se a estrutura da pentacamada estivesse alinhada com o nitreto de boro hexagonal (hBN) – um material que tem uma estrutura atômica semelhante à do grafeno, mas com dimensões ligeiramente diferentes.

Em combinação, os dois materiais devem produzir uma superrede moiré – uma estrutura atômica intrincada, semelhante a um andaime, que poderia desacelerar os elétrons de maneiras que imitam um campo magnético.

"Fizemos esses cálculos e depois pensamos:vamos em frente", diz Ju, que instalou um novo refrigerador de diluição em seu laboratório no MIT no verão passado, que a equipe planejava usar para resfriar materiais a temperaturas ultrabaixas, para estudar comportamento eletrônico exótico.

Os pesquisadores fabricaram duas amostras da estrutura híbrida do grafeno, primeiro esfoliando camadas de grafeno de um bloco de grafite e, em seguida, usando ferramentas ópticas para identificar flocos de cinco camadas na configuração escalonada. Eles então estamparam o floco de grafeno em um floco de hBN e colocaram um segundo floco de hBN sobre a estrutura do grafeno. Por fim, anexaram eletrodos à estrutura e a colocaram na geladeira, ajustada para perto do zero absoluto.

À medida que aplicaram uma corrente ao material e mediram a tensão de saída, começaram a ver assinaturas de carga fracionária, onde a tensão é igual à corrente multiplicada por um número fracionário e algumas constantes físicas fundamentais.

“No dia em que o vimos, não o reconhecemos a princípio”, diz o primeiro autor, Lu. "Então começamos a gritar quando percebemos que isso era realmente grande. Foi um momento completamente surpreendente."

“Estas foram provavelmente as primeiras amostras sérias que colocamos na nova geladeira”, acrescenta o co-autor Han. “Depois que nos acalmamos, olhamos detalhadamente para ter certeza de que o que estávamos vendo era real”.

Com análises mais aprofundadas, a equipe confirmou que a estrutura do grafeno realmente exibia o efeito Hall anômalo quântico fracionário. É a primeira vez que o efeito é observado no grafeno.

“O grafeno também pode ser um supercondutor”, diz Ju. "Portanto, você poderia ter dois efeitos totalmente diferentes no mesmo material, um ao lado do outro. Se você usar o grafeno para conversar com o grafeno, evitará muitos efeitos indesejados ao unir o grafeno com outros materiais."

Por enquanto, o grupo continua a explorar o grafeno multicamadas para outros estados eletrônicos raros.

“Estamos mergulhando para explorar muitas ideias e aplicações fundamentais da física”, diz ele. “Sabemos que haverá mais por vir.”

Mais informações: Long Ju, efeito Hall anômalo quântico fracionário em grafeno multicamadas, Natureza (2024). DOI:10.1038/s41586-023-07010-7. www.nature.com/articles/s41586-023-07010-7
Informações do diário: Natureza

Fornecido pelo Instituto de Tecnologia de Massachusetts

Esta história foi republicada como cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisa, inovação e ensino do MIT.