En lugar de nuestro mundo tridimensional, imaginemos una llanura bidimensional, donde las leyes de la física están patas arriba y partículas como los electrones desafían las expectativas para revelar nuevos secretos. Eso es exactamente lo que un equipo de investigadores, incluido el profesor de física Ramesh G. Mani de la Universidad Estatal de Georgia y el reciente Ph.D. Graduado U. Kushan Wijewardena, estudiando en los laboratorios del Estado de Georgia.
Su estudio condujo a un descubrimiento publicado recientemente en la revista Communication Physics. El equipo ha profundizado en el misterioso mundo de los efectos Hall cuánticos fraccionarios (FQHE), descubriendo fenómenos novedosos e inesperados cuando estos sistemas se investigan de nuevas maneras y se los lleva más allá de sus límites habituales.
“La investigación sobre los efectos Hall cuánticos fraccionarios ha sido un foco importante de la física moderna de la materia condensada durante décadas, porque las partículas en las llanuras pueden tener múltiples personalidades y exhibir personalidades dependientes del contexto según sea necesario”, dijo Mani. “Nuestros últimos hallazgos traspasan los límites del campo y ofrecen nuevos conocimientos sobre estos sistemas complejos”.
El efecto Hall cuántico ha sido un área dinámica e importante en la física de la materia condensada desde la década de 1980, cuando Klaus von Klitzing informó de su descubrimiento de que una simple medición eléctrica proporcionaba valores muy precisos para algunas de las constantes fundamentales que determinan el comportamiento de nuestro universo. puede dar Este descubrimiento le valió el Premio Nobel en 1985.
En 1998, el Premio Nobel fue otorgado por el descubrimiento y la comprensión del efecto Hall cuántico fraccionario, que sugería que las partículas planas podrían tener cargas fraccionarias. Este viaje continuó con el descubrimiento del grafeno, un material que demostró la posibilidad de que existan electrones sin masa en una tierra plana, lo que llevó a otro Premio Nobel en 2010.
Finalmente, las teorías sobre nuevas fases de la materia, relacionadas con el efecto Hall cuántico, fueron reconocidas con el Premio Nobel en 2016.
La física de la materia condensada condujo a descubrimientos que hicieron posible la electrónica moderna, como teléfonos móviles, ordenadores, GPS, iluminación LED, células solares e incluso coches autónomos. La ciencia de las tierras planas y los materiales de las tierras planas se están estudiando ahora en la física de la materia condensada con el objetivo de hacer realidad la futura electrónica de alta eficiencia energética, flexible, rápida y liviana, incluidos nuevos sensores, células solares de alta eficiencia, etc., computadoras cuánticas y topológicas. Computadoras cuánticas.
En una serie de experimentos en condiciones extremadamente frías, cerca de -459 °F (-273 °C), y bajo un campo magnético aproximadamente 100.000 veces más fuerte que el de la Tierra, Mani, Wijewardena y sus colegas se pusieron a trabajar. Aplicaron una corriente adicional a dispositivos semiconductores de alta movilidad fabricados a partir de estructuras sándwich de materiales de arseniuro de galio (GaAs) y arseniuro de galio y aluminio (AlGaAs), que ayudan a detectar electrones en la llanura. Observaron que todos los estados FQHE se dividían inesperadamente, seguido del cruce de las ramas divididas, lo que les permitió descubrir nuevos estados de desequilibrio de estos sistemas cuánticos y revelar estados de la materia completamente nuevos. El estudio destaca el papel fundamental de los cristales de alta calidad desarrollados por el Prof. Werner Wegscheider y el Dr. Christian Reichel en el Instituto Federal Suizo de Tecnología de Zurich en el éxito de esta investigación.
“Piense en el estudio tradicional de los efectos Hall cuánticos fraccionarios como una exploración del sótano de un edificio”, dijo Mani. “Nuestro estudio trata de explorar y explorar los pisos superiores, esa superficie emocionante e inexplorada, y descubrir cómo se ven. Estados emocionados”.
Vijayawardena, quien recibió su Ph.D. en física de Georgia State el año pasado y ahora es miembro del cuerpo docente de Georgia College y State University Milledgeville, expresó su entusiasmo por su trabajo.
“Hemos estado trabajando en estos fenómenos durante muchos años, pero esta es la primera vez que informamos resultados experimentales aplicando directamente un sesgo de corriente para obtener los estados excitados de estados parciales de Hall cuánticos”, dijo Wijewardena. “Los resultados son interesantes y nos llevó mucho tiempo obtener una explicación viable para nuestras observaciones”.
Con el apoyo de la Fundación Nacional de Ciencias y la Oficina de Investigación del Ejército, este estudio no sólo desafía las teorías existentes sino que también sugiere un origen híbrido para los FQHE en estado excitado de desequilibrio. Estos enfoques innovadores y resultados inesperados resaltan el potencial de nuevos descubrimientos en el campo de la física de la materia condensada, lo que influirá en la investigación y el desarrollo tecnológico futuros.
Los hallazgos del equipo tienen implicaciones que van mucho más allá del laboratorio, y apuntan a conocimientos potenciales para la computación cuántica y la ciencia de materiales. Al explorar estos territorios inexplorados, estos investigadores están sentando las bases para tecnologías futuras (y capacitando a nuevas generaciones de estudiantes) que podrían revolucionarlo todo, desde el procesamiento de datos hasta la eficiencia energética, mientras la alta tecnología impulsa la economía.
Mani, Wijewardena y su equipo ahora están ampliando su estudio a condiciones más extremas, explorando nuevas formas de medir parámetros desafiantes de las llanuras. A medida que avancen, esperan descubrir más matices en estos sistemas cuánticos y aportar conocimientos valiosos al campo. Con cada experimento, el equipo se acerca a la comprensión de los complejos comportamientos en juego, manteniéndose abierto a la posibilidad de nuevos descubrimientos a lo largo del camino.
