Un nuevo tipo de quasipartícula ha sido descubierta en una estructura de doble capa de grafeno. El llamado Fermión compuesto consta de un electrón y dos tipos diferentes de flujo magnético, ilustrados con flechas de color azul y oro en la figura superior. Los fermiones compuestos son capaces de formar pares; tal interacción única llevó al descubrimiento experimental de nuevos fenómenos cuánticos inesperados.

Físicos de Japón y los Estados Unidos han demostrado una serie de estados de Efecto Hall Cuánticos Fraccionarios que surgen en pilas de grafeno de doble capa.

Fermión compuesto

Un fermión compuesto es el estado ligado de un electrón y un número par cuantizado de vórtices, a veces visualmente representado como el estado ligado de un electrón y atado a un número par de cuantos de flujo magnético.​ Los Fermiones compuestos fueron previstos originalmente en el contexto del efecto Hall cuántico,​ pero posteriormente tuvo una vida propia, exhibiendo muchos otros fenómenos y consecuencias.

Efecto Hall Cuántico Fraccionario

El Efecto Hall emerge cuando se aplica un campo magnético a un material conductor en una dirección perpendicular a un flujo de corriente. El campo magnético hace que la corriente se desvíe, creando una tensión en la dirección transversal, llamada la tensión de Hall. La fuerza de la tensión de Hall aumenta con la fuerza del campo magnético.

La versión cuántica del Efecto Hall se descubrió por primera vez en experimentos realizados en 1980 a bajas temperaturas y fuertes campos magnéticos.

Los experimentos mostraron que, en lugar de aumentar suavemente con la intensidad del campo magnético, el voltaje de Hall aumenta de forma cuantificada. Estos pasos son múltiplos enteros de constantes fundamentales de la naturaleza, y son completamente independientes de la composición física del material utilizado en los experimentos.

Unos años más tarde, los físicos experimentales, trabajando a temperaturas cercanas al cero absoluto y con campos magnéticos muy fuertes, encontraron nuevos tipos de estados Hall cuánticos en los que los pasos cuánticos en el voltaje Hall corresponden a números fraccionarios, de ahí el nombre de Efecto Hall Cuántico Fraccional.

Posteriormente, los físicos teóricos postularon que el Efecto Hall Cuántico Fraccional está relacionado con la formación de cuasi partículas, llamadas fermiones compuestos. En este estado, cada electrón se combina con una cantidad de flujo magnético para formar un «fermión compuesto» que lleva una fracción de una carga de electrones, dando lugar a los valores fraccionarios en el voltaje de Hall.

La teoría del Fermión Compuesto ha tenido éxito en explicar una gran cantidad de fenómenos observados en sistemas de pozos cuánticos únicos.

El estudio

La nueva investigación, llevada a cabo por físicos de la Universidad de Brown, la Universidad de Columbia y el Instituto Nacional de Ciencia de Materiales de Japón, utilizó un grafeno de doble capa para investigar lo que sucede cuando dos «Pozos Cuánticos» se acercan.

El grafeno es una sustancia compuesta por carbono puro, con átomos organizados en un patrón regular hexagonal, similar al grafito. Es un material casi transparente.

La teoría había sugerido que la interacción entre dos capas de grafeno conduciría a un nuevo tipo de Fermión Compuesto, pero esto nunca se había observado en los experimentos científicos.

Para los nuevos experimentos, el equipo creó dispositivos ultra limpios, a partir totalmente de materiales 2D atómicamente planos.

El núcleo de la estructura consiste en dos capas de grafeno, separadas por una capa delgada de nitruro de boro hexagonal, como barrera aislante. La estructura de doble capa está encapsulada por nitruro de boro hexagonal como aislante protector y grafito como puerta conductora para cambiar la densidad del portador de carga en el canal.

Las estructuras de grafeno fueron luego expuestas a fuertes campos magnéticos, millones de veces más fuertes que el campo magnético de la Tierra.

Los científicos produjeron una serie de estados de Hall Cuánticos Fraccionarios, algunos de los cuales demuestran una excelente concordancia con el modelo de Fermión Compuesto y otros que nunca se habían previsto o visto antes.

Conclusiones

“Aparte de los fermiones compuestos de capa intermedia, observamos otras características que no se pueden explicar dentro del modelo de Fermión Compuesto”, dijo el Dr. Qianhui Shi, investigador postdoctoral de la Universidad de Columbia.

“Un estudio más cuidadoso reveló que, para nuestra sorpresa, estos nuevos estados resultan del emparejamiento entre fermiones compuestos. La interacción de emparejamiento entre capas adyacentes y dentro de la misma capa, da lugar a una variedad de nuevos fenómenos cuánticos, haciendo del grafeno de doble capa una plataforma interesante para estudiar”.

Crédito de la imagen: Michelle Miller y Jia Li, Brown University.

Referencia del documento científico:
J.I.A. Li et al. Emparejamiento de estados de fermiones compuestos en grafeno de doble capa. Nature Physics, publicado en línea el 24 de junio de 2019; doi: 10.1038 / s41567-019-0547-z