(Noticias Nanowerk) Investigadores de la Universidad de Columbia Británica, la Universidad de Washington y la Universidad Johns Hopkins han identificado una nueva clase de estados cuánticos en un sistema personalizado grafeno estructura. Publicado en Naturaleza («Cristales electrónicos topológicos moiré en grafeno retorcido»), el estudio informa del descubrimiento de cristales electrónicos topológicos en grafeno bicapa-tricapa retorcido, un sistema creado mediante la introducción de un giro rotacional preciso entre materiales bidimensionales apilados.
“El punto de partida de este trabajo son dos escamas de grafeno, que están formadas por átomos de carbono dispuestos en una estructura de panal. La forma en que los electrones saltan entre los átomos de carbono determina las propiedades eléctricas del grafeno, que termina siendo superficialmente related a conductores más comunes como el cobre”, dijo el profesor Joshua People, miembro del Departamento de Física y Astronomía de la UBC y del Instituto Blusson de Materia Cuántica. (UBC Blusson QMI).
“El siguiente paso es apilar los dos copos juntos con un pequeño giro entre ellos. Esto genera un efecto de interferencia geométrica conocido como patrón muaré: algunas regiones de la pila tienen átomos de carbono de las dos escamas directamente uno encima del otro, mientras que otras regiones tienen los átomos desplazados”, dijo People.
“Cuando los electrones saltan a través de este patrón muaré en la pila retorcida, las propiedades electrónicas cambian totalmente. Por ejemplo, los electrones disminuyen su velocidad y, a veces, desarrollan un giro en su movimiento, como el vórtice del agua en el desagüe de una bañera mientras se drena”.
El gran descubrimiento reportado en este estudio fue observado por un estudiante universitario, Ruiheng Su, de la UBC, estudiando una muestra de grafeno retorcido preparada por el Dr. Dacen Waters, investigador postdoctoral en el laboratorio del Prof. Matthew Yankowitz en la Universidad de Washington. Mientras trabajaba en el experimento en el laboratorio de People, Ruiheng descubrió una configuración única para el dispositivo donde los electrones en el grafeno se congelaban en una matriz perfectamente ordenada, encerrados en su lugar pero girando al unísono como bailarines de ballet realizando con gracia piruetas estacionarias. Esta rotación sincronizada da lugar a un fenómeno notable en el que la corriente eléctrica fluye sin esfuerzo a lo largo de los bordes de la muestra mientras el inside permanece aislante porque los electrones están inmovilizados.
Sorprendentemente, la cantidad de corriente que fluye a lo largo del borde está determinada precisamente por la relación de dos constantes fundamentales de la naturaleza: la constante de Planck y la carga del electrón. La precisión de este valor está garantizada por una propiedad del cristal de electrones conocida como topología, que describe las propiedades de los objetos que permanecen sin cambios ante deformaciones modestas.
«Así como un donut no se puede deformar suavemente hasta convertirlo en un pretzel sin abrirlo primero, el canal de circulación de electrones alrededor del cristal de electrones 2D límite permanece intacto por el desorden en su entorno circundante», dijo Yankowitz.
«Esto conduce a un comportamiento paradójico del cristal electrónico topológico que no se ve en los cristales de Wigner convencionales del pasado: a pesar de que el cristal se forma al congelar los electrones en una matriz ordenada, aún puede conducir electricidad a lo largo de sus límites».
Un ejemplo cotidiano de topología es la cinta de Möbius, un objeto easy pero alucinante. Imagínese tomar una tira de papel, darle forma de bucle y unir los extremos con cinta adhesiva. Ahora, coge otra tira, pero antes de unir los extremos dale una sola vuelta. El resultado es una tira de Möbius, una superficie con un solo lado y un borde. Sorprendentemente, no importa cómo intentes manipular la tira, no puedes desenroscarla y formar un bucle regular sin romperla.
La rotación de los electrones en el cristal es análoga a la torsión en la banda de Möbius, y conduce a una característica notable del cristal electrónico topológico nunca antes vista en los raros casos en que se han observado cristales de electrones en el pasado: bordes por donde fluyen los electrones. sin resistencia, describe estar encerrado en su lugar dentro del propio cristal.
El cristal de electrones topológico no sólo es fascinante desde un punto de vista conceptual, sino que también abre nuevas oportunidades para avances en la información cuántica. Estos incluyen intentos futuros de acoplar el cristal de electrones topológicos con la superconductividad, formando la base de los qubits para las computadoras cuánticas topológicas.
