Un dispositivo al grafene misura le cariche elettriche frazionarie trasportate da alcuni degli oggetti più strani della fisica quantistica.

Si suppone che un elettrone sia indivisibile. Porta con sé un’unità fondamentale di carica elettrica e ogni elettrone è esattamente uguale all’altro. Ma in condizioni estreme, un gran numero di elettroni interagisce dando origine a nuovi oggetti quantistici chiamati quasiparticelle. Queste si comportano come se portassero solo una frazione della carica di un elettrone, il che le rende uno dei fenomeni più strani della fisica moderna.

Tali condizioni estreme si verificano durante un fenomeno chiamato effetto Hall quantistico: quando gli elettroni sono confinati in due dimensioni ed esposti a un intenso campo magnetico a temperature molto basse, smettono di comportarsi come particelle individuali e si organizzano invece in stati quantistici altamente ordinati. In alcuni di questi stati, il moto collettivo di molti elettroni dà origine a quasiparticelle con cariche elettriche frazionarie.

Per anni, i ricercatori si sono affidati a esperimenti complessi per rilevare queste cariche frazionarie. Ora, un team guidato da Mitali Banerjee, professore presso il Laboratorio di Fisica Quantistica, Topologia e Correlazioni dell’EPFL, ha dimostrato che un dispositivo in grafene molto più semplice può consentire agli scienziati di studiare molti più stati elettronici. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Nature Physics.

Una minuscola collina per particelle quantistiche

Il dispositivo è costruito con grafene a doppio strato, un materiale composto da due fogli di atomi di carbonio. Utilizzando dei gate elettrici, i ricercatori hanno creato una minuscola collina di energia chiamata antidot.

Le quasiparticelle si muovono attorno a questa collina energetica lungo traiettorie ben definite. La variazione del campo magnetico o della tensione di gate le induce ad attraversare per effetto tunnel il dispositivo a intervalli regolari. Ogni evento di tunneling produce una piccola oscillazione nel segnale elettrico.

Misurando l’intervallo tra queste oscillazioni, i ricercatori possono calcolare la carica delle quasiparticelle. In altre parole, l’antidoto agisce come un misuratore di carica estremamente sensibile.

Misurare le cariche impossibili

Le misurazioni hanno rivelato la presenza di quasiparticelle con una carica pari a un terzo di quella di un elettrone in diversi stati di effetto Hall quantistico, tra cui gli stati 4/3, 5/3 e 7/3. I ricercatori hanno inoltre misurato cariche pari a due terzi di quella di un elettrone nello stato 2/3 e a tre quinti di quella di un elettrone nello stato 3/5.

I numeri 4/3, 5/3 e 7/3 descrivono diversi stati di Hall quantistico, ognuno corrispondente a un modo distinto in cui gli elettroni riempiono collettivamente i livelli energetici disponibili in un campo magnetico. Si prevede che alcuni di questi stati ospitino quasiparticelle con diverse cariche frazionarie, che è proprio ciò che il nuovo dispositivo misura.

Uno stato, noto come 8/3, si è comportato in modo diverso. In questo stato, il dispositivo ha mostrato segnali di cariche pari a un terzo e due terzi della carica di un elettrone. I ricercatori discutono diverse possibili spiegazioni per questo comportamento insolito, tra cui diverse strutture dei bordi e meccanismi di tunneling.

Implicazioni della tecnologia quantistica

Queste quasiparticelle con carica frazionaria sono una caratteristica distintiva della materia quantistica topologica, una classe insolita di materiali le cui proprietà emergono dal comportamento collettivo di molte particelle piuttosto che dai singoli atomi. Il loro studio aiuta i fisici a verificare le idee fondamentali della meccanica quantistica e a comprendere gli stati esotici della materia.

Alcuni di questi stati vengono anche esplorati come possibili elementi costitutivi per le future tecnologie quantistiche. Il nuovo design dell’antidot offre un modo pratico per studiarli. È compatto, sintonizzabile elettricamente e si basa su semplici misurazioni di conduttanza anziché sulle tecniche più elaborate utilizzate in molti esperimenti precedenti.

I ricercatori suggeriscono che lo stesso approccio potrebbe essere adattato ad altri materiali bidimensionali, fornendo un modo semplice per studiare una gamma più ampia di stati quantistici esotici. “La stessa geometria potrebbe anche essere utilizzata come elemento costitutivo per realizzare un computer quantistico topologico“, afferma Mario Di Luca, primo autore dell’articolo.

Abstract

La capacità di rilevare le quasiparticelle con carica frazionaria che emergono nel regime di effetto Hall quantistico frazionario è di fondamentale importanza per studiare le loro proprietà quantistiche. Sebbene gli interferometri elettronici abbiano studiato con successo le loro proprietà statistiche, l’interpretazione dei risultati è spesso complicata dalle interazioni tra volume e bordo. Gli antidot – colline sintonizzabili nel paesaggio di potenziale all’interno del dispositivo – sono particolarmente preziosi in questo contesto, poiché superano le limitazioni geometriche dei progetti di interferometro convenzionali e agiscono come impurità controllate. In questo lavoro, dimostriamo un metodo per estrarre la carica delle quasiparticelle durante il loro effetto tunnel attraverso un antidot. A tal fine, utilizziamo un antidot di grafene a doppio strato definito da un gate, operante nel regime dominato da Coulomb, per studiare l’effetto tunnel delle quasiparticelle sia negli stati di effetto Hall quantistico intero che frazionario e riportiamo misurazioni dirette della carica frazionaria. Il nostro modello teorico derivato indica che le differenze nelle cariche misurate possono essere attribuite a variazioni nel riequilibrio del bordo derivanti da una diversa parità dei modi di bordo interi a valle. La semplicità e la possibilità di modulare questo design aprono la strada all’estensione delle misurazioni di carica basate su antidot ad altri materiali di van der Waals e alla definizione degli antidot come piattaforma ampiamente applicabile per lo studio dei materiali topologici.

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