p 5 de outubro, 2017 — Uma equipe liderada por Cory Dean, professor assistente de física na Universidade de Columbia, e James Hone, Wang Fong-Jen Professor de Engenharia Mecânica na Columbia Engineering, definitivamente observou uma anomalia intensamente estudada na física da matéria condensada - o estado de Hall quântico fracionário de denominador par (FQH) - por meio de medição de transporte em grafeno de duas camadas. O estudo foi publicado online hoje em Ciência . p "Observar o estado 5/2 em qualquer sistema é uma oportunidade científica notável, uma vez que abrange alguns dos conceitos mais desconcertantes da física moderna da matéria condensada, como emergência, formação de quase partículas, quantização, e até supercondutividade, "Dean diz." Nossa observação de que, em grafeno de duas camadas, o estado 5/2 sobrevive a temperaturas muito mais altas do que se pensava ser possível, não apenas nos permite estudar esse fenômeno de novas maneiras, mas também muda nossa visão do estado FQH de ser uma curiosidade científica para agora com grande potencial para aplicações no mundo real, particularmente na computação quântica. "

p Descoberto pela primeira vez na década de 1980 em heteroestruturas de arseneto de gálio (GaAs), o estado hall quântico fracionário 5/2 permanece a única exceção à regra estrita que diz que os estados hall quântico fracionário só podem existir com denominadores ímpares. Logo após a descoberta, trabalhos teóricos sugeriram que este estado poderia representar um tipo exótico de supercondutor, notável em parte pela possibilidade de que tal fase poderia permitir uma abordagem fundamentalmente nova para a computação quântica. Contudo, a confirmação dessas teorias permaneceu elusiva, em grande parte devido à natureza frágil do estado; em GaAs, é observável apenas nas amostras de mais alta qualidade e mesmo assim aparecendo apenas em temperaturas milikelvin (até 10, 000 vezes mais frio do que o ponto de congelamento da água).

p A equipe de Columbia agora observou este mesmo estado no grafeno de dupla camada e aparecendo em temperaturas muito mais altas - atingindo vários Kelvin. "Embora ainda seja 100 vezes mais frio do que o ponto de congelamento da água, ver o estado do denominador par nessas temperaturas abre a porta para um novo conjunto de ferramentas experimentais que antes eram impensáveis, "diz Dean." Depois de várias décadas de esforços de pesquisadores em todo o mundo, podemos finalmente estar perto de resolver o mistério do 5/2. "

p Um dos problemas pendentes no campo da física moderna da matéria condensada é a compreensão do fenômeno da "emergência, "o resultado de uma grande coleção de partículas quânticas se comportando em conjunto devido às interações entre as partículas e dando origem a novas características que não são uma característica das partes individuais. Por exemplo, em supercondutores, um grande número de elétrons entram em colapso para um único estado quântico, que pode então se propagar através de um metal sem qualquer perda de energia. O efeito Hall quântico fracionário é outro estado em que os elétrons conspiram uns com os outros, na presença de um campo magnético, resultando em quasipartículas com propriedades quânticas potencialmente exóticas.

p Muito difícil de prever teoricamente, a emergência muitas vezes desafia nossa compreensão fundamental de como as partículas se comportam. Por exemplo, uma vez que quaisquer dois elétrons têm a mesma carga, pensamos nos elétrons como objetos que querem se repelir. Contudo, em um metal supercondutor, elétrons se emparelham inesperadamente, formando um novo objeto conhecido como par de cobre. Os elétrons individuais se espalham quando se movem através de um metal, dando origem à resistência, mas os pares de cobre formados espontaneamente se comportam coletivamente de tal maneira que se movem através do material sem resistência alguma.

p "Pense em tentar abrir caminho no meio de uma multidão em um show de rock onde todos estão dançando com muita energia e constantemente esbarrando em você, em comparação com uma pista de dança de salão onde pares de dançarinos estão todos se movendo ao mesmo tempo, maneira cuidadosamente coreografada, e é fácil evitar um ao outro, "diz Dean." Uma das razões que torna o efeito Hall quântico fracionário do denominador par tão fascinante é que se acredita que sua origem seja muito semelhante à de um supercondutor, mas, em vez de simplesmente formar pares de cobre, um tipo inteiramente novo de partícula quântica emerge. "

p De acordo com a mecânica quântica, partículas elementares se enquadram em duas categorias, Férmions e bósons, e se comportar de maneiras muito diferentes. Dois Férmions, como elétrons, não pode ocupar o mesmo estado, e é por isso, por exemplo, os elétrons nos átomos preenchem orbitais sucessivos. Bosons, como fótons, ou partículas de luz, pode ocupar o mesmo estado, permitindo-lhes agir de forma coerente como na emissão de luz de um laser. Quando duas partículas idênticas são trocadas, a função de onda da mecânica quântica que descreve seu estado combinado é multiplicada por um fator de fase de 1 para bósons, e -1 para férmions.

p Logo após a descoberta do efeito hall quântico fracionário, foi sugerido em bases teóricas que as quasipartículas associadas a este estado não se comportam como bósons nem férmions, mas sim o que é chamado de um anyon:quando as quasipartículas de anyon são trocadas, o fator de fase não é 1 nem -1, mas é fracionário. Apesar de várias décadas de esforço, ainda não há nenhuma prova experimental conclusiva confirmando que essas quasipartículas são ânions. O estado 5/2 - um anyon não abeliano - é considerado ainda mais exótico. Em teoria, anyons não abelianos obedecem às estatísticas anyonic como em outros estados Hall quânticos fracionários, mas com a característica especial de que essa fase não pode ser desfeita simplesmente revertendo o processo. Essa incapacidade de simplesmente desenrolar a fase tornaria qualquer informação armazenada no sistema excepcionalmente estável, e é por isso que muitas pessoas acreditam que o 5/2 pode ser um ótimo candidato para computação quântica.

p "A demonstração das estatísticas 5/2 previstas representaria uma grande conquista, "diz Dean." Em muitos aspectos, isso confirmaria que, fabricando um sistema de material com a espessura certa e o número certo de elétrons, e, em seguida, aplicando apenas os campos magnéticos corretos, poderíamos efetivamente projetar classes fundamentalmente novas de partículas, com propriedades que de outra forma não existem entre as partículas conhecidas naturalmente encontradas no universo. Ainda não temos evidências conclusivas de que o estado 5/2 exibe propriedades não abelianas, mas nossa descoberta desse estado no grafeno de duas camadas abre novas e estimulantes oportunidades para testar essas teorias. "

p Até agora, todas essas condições precisam ser não apenas certas, mas também extremas. Em semicondutores convencionais, os estados do denominador par são muito difíceis de isolar, e existem apenas para materiais ultra-puros, em temperaturas extremamente baixas e altos campos magnéticos. Embora certas características do estado tenham sido observáveis, desenvolvendo experimentos que poderiam investigar o estado sem destruí-lo, tem sido desafiador.

p "Precisávamos de uma nova plataforma, "diz Hone." Com o isolamento bem-sucedido do grafeno, essas camadas atomicamente finas de átomos de carbono surgiram como uma plataforma promissora para o estudo de elétrons em 2D em geral. Uma das chaves é que os elétrons no grafeno interagem ainda mais fortemente do que nos sistemas convencionais de elétrons 2D, teoricamente tornando efeitos como o estado do denominador par ainda mais robustos. Mas embora tenha havido previsões de que o grafeno de duas camadas poderia hospedar os tão procurados estados de denominador par, em temperaturas mais altas do que as vistas antes, essas previsões não foram realizadas devido principalmente à dificuldade de tornar o grafeno suficientemente limpo. "

p A equipe da Columbia se baseou em muitos anos de trabalho pioneiro para melhorar a qualidade dos dispositivos de grafeno, criar dispositivos ultra-limpos inteiramente de materiais 2D atomicamente planos:grafeno de duas camadas para o canal condutor, nitreto de boro hexagonal como isolante protetor, e grafite usado para conexões elétricas e como uma porta condutora para alterar a densidade do portador de carga no canal.

p Um componente crucial da pesquisa foi ter acesso às ferramentas de alto campo magnético disponíveis no National High Magnetic Field Laboratory em Tallahassee, Flórida, um recurso de usuário financiado nacionalmente com o qual Hone e Dean tiveram extensas colaborações. Eles estudaram a condução elétrica através de seus dispositivos sob campos magnéticos de até 34 Tesla, e alcançou uma observação clara dos estados do denominador par.

p "Inclinando a amostra em relação ao campo magnético, fomos capazes de fornecer uma nova confirmação de que este estado FQH tem muitas das propriedades previstas pela teoria, como ser polarizado por spin, "diz Jia Li, o autor principal do artigo e pesquisador de pós-doutorado trabalhando com Dean e Hone. "Também descobrimos que no grafeno de duas camadas, este estado pode ser manipulado de maneiras que não são possíveis em materiais convencionais. "

p O resultado da equipe de Columbia, que demonstra a medição no transporte - como os elétrons fluem no sistema - é um passo crucial para a confirmação da possível origem exótica do estado do denominador par. Suas descobertas são relatadas simultaneamente com um relatório semelhante de um grupo de pesquisa da Universidade da Califórnia, Santa Barbara. O estudo UCSB observou o estado do denominador par por medição de capacitância, que investiga a existência de uma lacuna elétrica associada ao início do estado.

p A equipe espera que as medições robustas que eles observaram agora no grafeno de duas camadas permitirão novos experimentos que possam provar definitivamente sua natureza não abeliana. Uma vez que isso seja estabelecido, a equipe espera começar a demonstrar a computação usando o estado do denominador par.

p "Por muitas décadas, pensou-se que se o estado 5/2 realmente representa um anyon não abeliano, poderia teoricamente revolucionar os esforços para construir um computador quântico, "Dean observa." No passado, Contudo, as condições extremas necessárias para ver o estado em tudo, muito menos usá-lo para computação, sempre foram uma grande preocupação de praticidade. Nossos resultados no grafeno de camada dupla sugerem que este sonho pode agora não estar tão longe da realidade. "