Pesquisadores da Universidade de Columbia relatam que observaram um fluido quântico conhecido como estados Hall quânticos fracionários (FQHS), uma das fases mais delicadas da matéria, pela primeira vez em um semicondutor 2-D de monocamada. Suas descobertas demonstram a excelente qualidade intrínseca dos semicondutores 2-D e os estabelecem como uma plataforma de teste exclusiva para aplicações futuras em computação quântica. O estudo foi publicado online hoje em Nature Nanotechnology .

"Ficamos muito surpresos ao observar esse estado em semicondutores 2-D porque geralmente se supõe que eles são muito sujos e desordenados para hospedar esse efeito, "diz Cory Dean, professor de física na Columbia University. "Além disso, a sequência FQHS em nosso experimento revela um novo comportamento inesperado e interessante que nunca vimos antes, e, de fato, sugere que os semicondutores 2-D são plataformas quase ideais para estudar mais profundamente o FQHS. "

O estado quântico fracionário de Hall é um fenômeno coletivo que ocorre quando os pesquisadores confinam os elétrons para se moverem em um plano bidimensional delgado, e submetê-los a grandes campos magnéticos. Descoberto pela primeira vez em 1982, o efeito Hall quântico fracionário foi estudado por mais de 40 anos, no entanto, muitas questões fundamentais ainda permanecem. Um dos motivos para isso é que o estado é muito frágil e aparece apenas nos materiais mais limpos.

"A observação do FQHS é, portanto, muitas vezes vista como um marco significativo para um material 2-D - aquele que apenas os sistemas eletrônicos mais limpos alcançaram, "observa Jim Hone, Wang Fong-Jen Professor de Engenharia Mecânica na Columbia Engineering.

Embora o grafeno seja o material 2-D mais conhecido, um grande grupo de materiais semelhantes foi identificado nos últimos 10 anos, todos os quais podem ser esfoliados até a espessura de uma única camada. Uma classe desses materiais são os dichalcogenetos de metais de transição (TMD), como WSe2, o material utilizado neste novo estudo. Como o grafeno, eles podem ser descascados para serem atomicamente finos, mas, ao contrário do grafeno, suas propriedades sob campos magnéticos são muito mais simples. O desafio era que a qualidade do cristal dos TMDs não era muito boa.

"Desde que o TMD entrou em cena, sempre foi pensado como um material sujo com muitos defeitos, "diz Hone, cujo grupo fez melhorias significativas na qualidade dos TMDs, levando-o a uma qualidade próxima ao grafeno - frequentemente considerado o padrão final de pureza entre os materiais 2-D.

Além da qualidade da amostra, estudos de materiais semicondutores 2-D têm sido dificultados pelas dificuldades de fazer um bom contato elétrico. Para endereçar isto, os pesquisadores de Columbia também têm desenvolvido a capacidade de medir propriedades eletrônicas por capacitância, ao invés dos métodos convencionais de fluxo de corrente e medição da resistência. Um grande benefício desta técnica é que a medição é menos sensível tanto ao contato elétrico deficiente quanto às impurezas do material. As medições para este novo estudo foram realizadas sob campos magnéticos muito grandes - que ajudam a estabilizar o FQHS - no National High Magnetic Field Lab.

"Os números fracionários que caracterizam o FQHS que observamos - as razões da partícula para o número de fluxo magnético - seguem uma sequência muito simples, "diz Qianhui Shi, o primeiro autor do artigo e pesquisador de pós-doutorado na Columbia Nano Initiative. "A sequência simples é consistente com as expectativas teóricas genéricas, mas todos os sistemas anteriores mostram um comportamento mais complexo e irregular. Isso nos diz que finalmente temos uma plataforma quase ideal para o estudo de FQHS, onde os experimentos podem ser comparados diretamente a modelos simples. "

Entre os números fracionários, um deles tem um denominador par. "Observar o efeito Hall quântico fracionário foi em si surpreendente, ver o estado do denominador par nesses dispositivos foi realmente surpreendente, desde anteriormente, este estado só foi observado nos melhores dos melhores dispositivos, "diz Dean.

Estados fracionários com denominadores pares têm recebido atenção especial desde sua primeira descoberta no final da década de 1980, uma vez que se pensa que representam um novo tipo de partícula, um com propriedades quânticas diferentes de qualquer outra partícula conhecida no universo. "As propriedades únicas dessas partículas exóticas, "observa Zlatko Papic, professor associado de física teórica na Universidade de Leeds, "poderia ser usado para projetar computadores quânticos protegidos de muitas fontes de erros."

Até aqui, esforços experimentais para compreender e explorar os estados do denominador par têm sido limitados por sua extrema sensibilidade e o número extremamente pequeno de materiais nos quais esse estado pode ser encontrado. "Isso faz com que a descoberta do estado do denominador par em uma nova - e diferente - plataforma de material, realmente muito emocionante, "Dean acrescenta.

Os dois laboratórios da Universidade de Columbia - o Dean Lab e o Hone Group - trabalharam em colaboração com o NIMS Japão, que forneceu alguns dos materiais, e Papic, cujo grupo realizou modelagem computacional dos experimentos. Ambos os laboratórios de Columbia fazem parte do Centro de Engenharia e Ciência de Pesquisa de Materiais da universidade. Este projeto também usou instalações de salas limpas na Columbia Nano Initiative e no City College. As medições em grandes campos magnéticos foram feitas no National High Magnetic Field Laboratory, uma instalação de usuário financiada pela National Science Foundation e sediada na Florida State University em Tallahassee, Fl.

Agora que os pesquisadores têm semicondutores 2-D muito limpos, bem como uma sonda eficaz, eles estão explorando outros estados interessantes que emergem dessas plataformas 2-D.