Descubren un nuevo efecto cuántico en el grafeno bicapa

Teóricos de la Universidad de Texas en Dallas, junto con colegas en Alemania, han observado por primera vez un fenómeno raro llamado efecto Hall anómalo cuántico en un material muy simple.

Experimentos anteriores lo han detectado solo en materiales complejos o delicados.

El Dr. Fan Zhang, profesor asociado de física en la Facultad de Ciencias Naturales y Matemáticas, es autor de un estudio que demuestra el comportamiento exótico en el grafeno bicapa, que es un capa delgada de 2 átomos de carbono dispuestos en dos celosías de panal apiladas.

El efecto Hall cuántico es un fenómeno macroscópico en el que la resistencia transversal en un material cambia por valores cuantificados de forma escalonada.

Ocurre en sistemas de electrones bidimensionales a bajas temperaturas y bajo fuertes campos magnéticos.

Sin embargo, en ausencia de un campo magnético externo, un sistema 2D puede generar espontáneamente su propio campo magnético, por ejemplo, a través de un ferromagnetismo orbital que se produce por interacciones entre electrones.

Este comportamiento se denomina efecto Hall anómalo cuántico.

“Cuando se investigó previamente el raro efecto Hall cuántico anómalo, los materiales estudiados eran complejos”, dijo Zhang.

“Por el contrario, nuestro material es comparativamente simple, ya que solo consta de dos capas de grafeno y se produce de forma natural“.

El Dr. Thomas Weitz, autor del estudio y profesor de la Universidad de Göttingen, dijo:

“Además, encontramos de manera bastante contradictoria que, aunque se supone que el carbono no es magnético o ferroeléctrico, observamos firmas experimentales consistentes con ambos“.

En una investigación publicada en 2011, Zhang, un físico teórico, predijo que el grafeno bicapa tendría cinco estados fundamentales en competencia, los estados más estables del material que ocurren a una temperatura cercana al cero absoluto (menos 273,15 grados Celsius).

Dichos estados están impulsados ​​por la interacción mutua de electrones cuyo comportamiento se rige por la mecánica cuántica y la estadística cuántica.

“Predijimos que habría cinco familias de estados en grafeno bicapa que competirían entre sí para ser el estado fundamental.

Se han observado cuatro en el pasado. Este es el último y el más desafiante de observar”, dijo Zhang.

Los investigadores encontraron ocho estados fundamentales diferentes en esta quinta familia que exhiben el efecto Hall anómalo cuántico, ferromagnetismo y ferroelectricidad simultáneamente.

“También demostramos que podíamos elegir entre este octeto de estados fundamentales aplicando pequeños campos eléctricos y magnéticos externos, así como controlando el signo de los portadores de carga”, dijo Weitz.

“Predijimos, observamos, aclaramos y controlamos un octeto de Hall anómalo cuántico, donde tres fenómenos cuánticos sorprendentes (ferromagnetismo, ferroelectricidad y efecto Hall cuántico de campo cero) pueden coexistir e incluso cooperar en el grafeno bicapa”.

La capacidad de controlar las propiedades electrónicas del grafeno bicapa en un grado tan alto podría convertirlo en un candidato potencial para futuras aplicaciones de información cuántica de baja disipación, aunque Zhang y Weitz dijeron que están interesados ​​principalmente en revelar la “belleza de la física fundamental“.

Fuente: Nature