2024-11-20¿Cómo pueden los electrones dividirse en fracciones de sí mismos?
MIT |Los físicos se sorprenden al descubrir que los electrones de las pentaláminas de grafeno pueden presentar carga fraccionaria. Un nuevo estudio sugiere cómo podría funcionar.Físicos del MIT han dado un paso clave para resolver el enigma que lleva a los electrones a dividirse en fracciones de sí mismos. Su solución arroja luz sobre las condiciones que dan lugar a estados electrónicos exóticos en el grafeno y otros sistemas bidimensionales.
El nuevo trabajo trata de dar sentido a un descubrimiento realizado a principios de año por otro grupo de físicos del MIT, dirigido por el profesor adjunto Long Ju. El equipo de Ju descubrió que los electrones parecen presentar "carga fraccional" en el grafeno de pentalámina, una configuración de cinco capas de grafeno apiladas sobre una lámina de nitruro de boro de estructura similar.
Ju descubrió que, al enviar una corriente eléctrica a través de la estructura de pentaláminas, los electrones parecían pasar como fracciones de su carga total, incluso en ausencia de campo magnético. Los científicos ya habían demostrado que los electrones pueden dividirse en fracciones bajo un campo magnético muy intenso, en lo que se conoce como efecto Hall cuántico fraccional. El trabajo de Ju fue el primero en descubrir que este efecto era posible en el grafeno sin campo magnético, del que hasta hace poco no se esperaba que presentara tal efecto.
El fenómeno se bautizó como "efecto Hall cuántico anómalo fraccionario", y los teóricos se han afanado por encontrar una explicación a cómo puede surgir carga fraccionaria en el grafeno de pentalámina.
El nuevo estudio, dirigido por el profesor de Física del MIT Senthil Todadri, aporta una pieza crucial de la respuesta. Mediante cálculos de interacciones de mecánica cuántica, él y sus colegas demuestran que los electrones forman una especie de estructura cristalina cuyas propiedades son ideales para que surjan fracciones de electrones.
"Se trata de un mecanismo completamente nuevo, es decir, en las décadas que llevamos de historia, nunca se había conseguido que un sistema avanzara hacia este tipo de fenómenos de electrones fraccionados", afirma Todadri. "Es realmente emocionante porque hace posible todo tipo de experimentos nuevos con los que antes sólo se podía soñar".
El estudio del equipo apareció la semana pasada en la revista Physical Review Letters. Otros dos equipos de investigación -uno de la Universidad Johns Hopkins y otro de la Universidad de Harvard, la Universidad de California en Berkeley y el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley- han publicado resultados similares en el mismo número. El equipo del MIT está formado por Zhihuan Dong, PhD 24, y Adarsh Patri, antiguo postdoctorado.
"Fenómenos fraccionarios
Mientras que en la mayoría de los materiales los electrones tienen espacio de sobra para repelerse y desplazarse como agentes independientes, las partículas están mucho más confinadas en estructuras bidimensionales como el grafeno de pentalámina. En un espacio tan reducido, el equipo se dio cuenta de que los electrones también debían verse obligados a interactuar, comportándose según sus correlaciones cuánticas además de su repulsión natural. Cuando los físicos añadieron las interacciones interelectrónicas a su teoría, descubrieron que predecía correctamente la sinuosidad que Ju observó en el grafeno pentalaminar.
Una vez que obtuvieron una predicción teórica que coincidía con las observaciones, el equipo pudo trabajar a partir de esta predicción para identificar un mecanismo por el que el grafeno de la pentalámina daba lugar a la carga fraccional.
Descubrieron que la disposición moiré del grafeno en pentaláminas, en la que cada capa de átomos de carbono en forma de celosía está dispuesta una sobre otra y sobre el nitruro de boro, induce un potencial eléctrico débil. Cuando los electrones atraviesan este potencial, forman una especie de cristal, o formación periódica, que confina a los electrones y les obliga a interactuar a través de sus correlaciones cuánticas. Este tira y afloja de electrones crea una especie de nube de posibles estados físicos para cada electrón, que interactúa con todas las demás nubes de electrones del cristal, en una función de onda, o un patrón de correlaciones cuánticas, que da la cuerda que debe sentar las bases para que los electrones se dividan en fracciones de sí mismos.
"Este cristal tiene todo un conjunto de propiedades inusuales que son diferentes de las de los cristales ordinarios, y conduce a muchas preguntas fascinantes para la investigación futura", dice Todadri. "A corto plazo, este mecanismo proporciona la base teórica para comprender las observaciones de fracciones de electrones en el grafeno de pentalámina y para predecir otros sistemas con una física similar".
Este trabajo ha sido financiado, en parte, por la National Science Foundation y la Simons Foundation.
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