Se o regime Hall quântico fracionário fosse uma série de rodovias, essas rodovias teriam duas ou quatro faixas. O fluxo dos férmions compostos de dois ou quatro fluxos, como os automóveis neste cenário de tráfego de férmions compostos de dois a quatro fluxos, explica naturalmente os mais de 90 estados Hall quânticos fracionários que se formam em uma grande variedade de materiais hospedeiros. No entanto, físicos da Universidade de Purdue descobriram recentemente que os regimes Hall quânticos fracionários não estão limitados a dois ou quatro fluxos e descobriram a existência de um novo tipo de partícula emergente, que eles chamam de férmion composto de seis fluxos.



Eles publicaram recentemente suas descobertas inovadoras na Nature Communications .

Gabor Csathy, professor e chefe do Departamento de Física e Astronomia da Purdue University College of Science, juntamente com Ph.D. estudantes Haoyun Huang, Waseem Hussain e recente Ph.D. graduado Sean Myers, liderou esta descoberta no campus West Lafayette de Purdue. Csathy credita ao autor principal, Huang, por ter concebido e liderado as medições e por ter escrito grande parte do manuscrito. Todas as medições de temperatura ultrabaixa foram concluídas no laboratório do Edifício de Física de Csathy. Seu laboratório conduz pesquisas em física eletrônica fortemente correlacionada, às vezes chamada de física eletrônica topológica.

As interações fracas dos elétrons estão bem estabelecidas e o comportamento é bastante previsível. Quando os elétrons interagem fracamente, o elétron é comumente considerado o bloco de construção natural de todo o sistema. Mas quando os elétrons interagem fortemente, interpretar o comportamento sistêmico pensando em elétrons individuais torna-se quase impossível.

“Isso ocorre em poucos casos, como no regime Hall quântico fracionário que estudamos, por exemplo”, diz Csathy. "Para explicar os estados Hall quânticos fracionários, o férmion composto, um bloco de construção fundamental muito intuitivo, vem em diferentes sabores. Eles podem explicar todo um subconjunto dos estados Hall quânticos fracionários. Mas todos totalmente desenvolvidos (ou seja, topologicamente protegidos) , os estados Hall quânticos fracionários poderiam ser explicados por apenas dois tipos de férmions compostos:os férmions compostos de dois fluxos e quatro fluxos.

"Aqui relatamos um novo estado Hall quântico fracionário que não pode ser explicado por nenhuma dessas ideias anteriores. Em vez disso, precisamos invocar a existência de um novo tipo de partícula emergente, os chamados férmions compostos de seis fluxos. A descoberta de novos estados quânticos fracionários de Hall são bastante escassos. No entanto, a descoberta de uma nova partícula emergente na física da matéria condensada é verdadeiramente rara e surpreendente.

Por enquanto, essas ideias serão usadas para expandir nossa compreensão da ordenação dos estados quânticos fracionários conhecidos de Hall em uma “tabela periódica”. É especialmente notável neste processo que a partícula de férmion composta emergente é única porque o elétron captura seis quanta de fluxo magnético quantizado, formando o férmion composto mais intrincado conhecido até o momento.

“A numerologia deste complicado quebra-cabeça da física requer bastante paciência”, diz Haoyun Huang, Ph.D. estudante. "Tome o estado fracionário nu=2/3 como exemplo. Como 2/3=2/(2*2 -1), o estado nu=2/3 pertence à família dos dois fluxos. Da mesma forma, para o estado fracionário nu=2/7, 2/7=2/(2*4 -1), então este estado pertence à família dos quatro fluxos. Em contraste, os estados fracionários que descobrimos estão intimamente relacionados com 2/11=2/(2*6 -1). Antes do nosso trabalho, nenhum estado Hall quântico fracionário totalmente quantizado foi visto que pudesse ser associado a férmions compostos de seis fluxos. A situação era completamente diferente no plano teórico:a existência desses tipos de férmions compostos foi prevista por Jainendra Jain em sua teoria altamente influente de férmions compostos publicada em 1989. A quantização associada não foi observada durante esses 34 anos.

O material utilizado neste estudo foi cultivado por uma equipe da Universidade de Princeton liderada por Loren Pfeiffer. A qualidade elétrica do semicondutor GaAs desempenhou um papel importante no sucesso desta pesquisa. De acordo com Csathy, este grupo de Princeton é líder mundial no cultivo de materiais à base de GaAs da mais alta qualidade.

“O GaAs que eles cultivam é muito especial, pois o número de imperfeições é surpreendentemente baixo”, diz ele. "A combinação de baixa desordem e experiência em medição de temperatura ultrabaixa no laboratório Csathy tornou este projeto possível. Uma das razões pelas quais estávamos medindo essas amostras é que muito recentemente o grupo de Princeton melhorou significativamente a qualidade do semicondutor GaAs, conforme medido pelas pequenas quantidades de defeitos presentes, essas amostras melhoradas continuarão, com certeza, a constituir um playground para a nova física."

Esta descoberta emocionante faz parte de uma pesquisa em andamento pela equipe de Csathy. A equipe continua a ampliar os limites da descoberta em sua busca persistente pela física topológica do elétron.

Mais informações: Haoyun Huang et al, Evidência de proteção topológica derivada de férmions compostos de seis fluxos, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-45860-5
Fornecido pela Purdue University