p Os pesquisadores da Columbia observaram o efeito Hall quântico fracionário no grafeno de duas camadas e mostraram que esse estado exótico da matéria pode ser ajustado por um campo elétrico. p O efeito Hall quântico fracionário, que pode ocorrer quando os elétrons confinados em folhas finas são expostos a grandes campos magnéticos, é um exemplo notável de comportamento coletivo em que milhares de elétrons individuais se comportam como um único sistema. Contudo, enquanto a teoria básica que descreve este efeito está bem estabelecida, muitos detalhes deste comportamento coletivo ainda não são bem compreendidos, em parte porque só é observável em sistemas com desordem extremamente baixa.

p Grafeno, uma folha de carbono atomicamente fina, é um material promissor para o estudo do efeito Hall quântico fracionário, tanto porque pode ser um cristal quase sem defeitos, e porque os pesquisadores podem "sintonizar" a densidade de carga com um eletrodo "portão" de metal externo e observar como os estados quânticos evoluem em resposta. Nos últimos anos, um esforço colaborativo na Columbia University abrangendo pesquisadores da Engenharia Mecânica, Engenharia Elétrica e Física, desenvolveu uma série de técnicas de fabricação inovadoras para aproveitar esta oportunidade, permitindo-lhes relatar a primeira observação do efeito Hall quântico fracionário no grafeno em 2009, e o primeiro ajuste amplo do efeito em 2011.

p Um sistema ainda mais interessante para o estudo do efeito Hall quântico fracionário é o chamado grafeno de bicamada, que consiste em duas folhas de grafeno empilhadas. Neste material, o uso de dois eletrodos de porta de metal (acima e abaixo) permite o ajuste independente da densidade de carga em cada camada, que fornece uma maneira completamente nova de manipular os estados de Hall quânticos fracionários. Em particular, a teoria prevê que deveria ser possível criar estados 'não abelianos' exóticos que poderiam ser usados ​​para computação quântica.

p Embora a observação do efeito Hall quântico fracionário no grafeno de camada única exigisse simplesmente fazer dispositivos mais limpos, observar esse efeito no grafeno de duas camadas revelou-se mais difícil. "Sabíamos que poderíamos fabricar estruturas de grafeno de duas camadas muito limpas, mas sofremos com a nossa incapacidade de fazer um bom contato elétrico, uma vez que o grafeno de duas camadas desenvolve um 'intervalo de banda' eletrônico sob os altos campos magnéticos e as baixas temperaturas necessárias para nossos experimentos, "diz Cory Dean, professor de Física que recentemente se mudou para a Universidade de Columbia, e autor principal do artigo. Um avanço crítico foi o redesenho dos dispositivos para que a densidade de carga nas regiões de contato pudesse ser ajustada independentemente do resto do dispositivo, o que lhes permitiu manter um bom contato elétrico, mesmo sob grandes campos magnéticos. "Assim que obtivemos essa nova estrutura de dispositivo, os resultados foram espetaculares."

p Reportando em 4 de julho, Edição de 2014 de Ciência , a equipe demonstra a existência do efeito Hall quântico fracionário no grafeno de duas camadas e mostra evidências de uma transição de fase controlável pela aplicação de campos elétricos. Uma das questões-chave para compreender o efeito Hall quântico fracionário em qualquer sistema é identificar a ordem associada ao estado fundamental. Por exemplo, todos os elétrons associados dentro do estado coletivo carregam o mesmo spin? No grafeno de duas camadas, essa questão é mais complexa, pois há vários graus de simetria em jogo ao mesmo tempo. Além de girar, elétrons podem polarizar por residir espontaneamente inteiramente em uma camada contra a outra. Essa complexidade fornece um novo espaço de fase interessante para explorar efeitos novos e incomuns. Em particular, várias teorias previram que a aplicação de campos elétricos ao grafeno de duas camadas poderia permitir transições entre essas ordens de estado fundamental. "Este é um novo botão experimental que simplesmente não está disponível em outros sistemas, "diz James Hone, professor de Engenharia Mecânica e co-autor do artigo. A equipe confirmou pela primeira vez que a variação do campo elétrico aplicado causa uma transição de fase, mas a natureza exata dessas diferentes fases permanece uma questão em aberto. "Embora a teoria espere que possamos ajustar a ordem do estado fundamental, a complexidade do sistema torna difícil determinar exatamente qual ordem é realmente realizada, "diz o professor de física e co-autor Philip Kim.

p "Este é o lugar para onde a próxima fase de nossa pesquisa está indo, "diz Dean." As implicações para este resultado podem ser de longo alcance, " ele adiciona, "Embora ainda não vejamos nenhuma evidência de estados não abelianos, o fato de que somos capazes de modificar a natureza do efeito Hall quântico fracionário por campos elétricos é um primeiro passo realmente excitante. "

p Embora os esforços anteriores tenham sido capazes de demonstrar diferentes aspectos do requisito de amostra, nenhum outro grupo foi capaz de reunir tudo isso em um único dispositivo. Dean atribui esse sucesso ao ambiente colaborativo único promovido na Universidade de Columbia. "Este é um ambiente verdadeiramente notável, " ele diz, adicionando, "A troca aberta de idéias em várias disciplinas torna o meio ambiente em Columbia um terreno fértil para fazer grandes ciências." A fabricação do dispositivo e o teste inicial foram feitos na Universidade de Columbia. A medição sob grandes campos magnéticos foi então realizada pela equipe de Columbia com a ajuda das instalações de usuários do National High Magnetic Field Laboratory em Tallahassee, Flórida. "Estabelecemos um relacionamento fantástico com a NHFML ao longo de muitos anos, "diz Dean." O apoio fornecido pelo pessoal da NHMFL tanto a nível técnico como científico tem sido inestimável para os nossos esforços. "