Le particelle e i fenomeni quantistici esotici come ad esempio la superconduttività o particelle che trasportano una frazione della carica di un elettrone, richiedono temperature estremamente basse o campi magnetici estremamente elevati, tutte condizioni difficili (e costose) da realizzare. Ma cosa succederebbe se si potesse far sì che queste particelle e fenomeni si manifestino in condizioni meno estreme? Molto è stato fatto riguardo alla superconduttività a temperatura ambiente, ma la generazione di particelle esotiche a carica frazionaria, con campo magnetico da basso a nullo, è altrettanto importante per il futuro dei materiali e delle applicazioni quantistiche, compresi i nuovi tipi di calcolo quantistico.
A tal proposito, un team di ricercatori dell'Università di Harvard guidato da Amir Yacoby, professore di fisica e di fisica applicata presso la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) e Ashvin Vishwanath, professore di fisica presso il Dipartimento di Fisica, in collaborazione con Pablo Jarillo-Herrero presso il Massachusetts Institute of Technology, hanno osservato per la prima volta stati frazionari esotici a basso campo magnetico in grafene a doppio strato contorto. La loro ricerca è stata pubblicata su Nature.
I ricercatori erano interessati a uno specifico stato quantistico esotico noto come isolanti Chern frazionari. Gli isolatori Chern sono isolanti topologici, il che significa che conducono elettricità sulla loro superficie o bordo, ma non nel mezzo. In un isolante Chern frazionario, le interazioni elettroniche formano ciò che è noto come quasiparticelle, una particella che emerge da interazioni complesse tra un gran numero di altre particelle. Il suono, ad esempio, può essere descritto come una quasiparticella perché emerge dalle complesse interazioni delle particelle in un materiale. Come le particelle fondamentali, le quasiparticelle hanno proprietà ben definite come massa e carica.
Negli isolanti Chern frazionari, le interazioni elettroniche sono così forti all'interno del materiale che le quasiparticelle sono costrette a trasportare una frazione della carica degli elettroni normali. Queste particelle frazionarie hanno bizzarre proprietà quantistiche che potrebbero essere utilizzate per creare robusti bit quantistici estremamente resistenti alle interferenze esterne.
Per costruire il loro isolante, i ricercatori hanno usato due fogli di grafene attorcigliati insieme con una aprticolare angolatura: la torsione infatti sblocca nuove e diverse proprietà nel grafene, tra cui la superconduttività, come scoperto per la prima volta dal gruppo di Jarillo-Herrero al MIT, e gli stati noti come bande di Chern, che hanno il grande potenziale di generare stati quantistici frazionari, come mostrato teoricamente dal gruppo di Vishwanath ad Harvard.
Pensate a queste bande di Chern come contenitori che si riempiono di elettroni. "Negli studi precedenti, era necessario un grande campo magnetico per generare questi contenitori, che sono i mattoni necessari per ottenere queste particelle frazionarie esotiche", ha dichiarato Andrew T. Pierce, uno studente laureato del gruppo di Yacoby e co-primo autore dell'articolo. "Ma il grafene a doppio strato ad angolo ha già queste utili unità topologiche integrate, a campo magnetico zero".
Per generare stati frazionari, i ricercatori devono riempire i "contenitori" una frazione del modo con elettroni. Ma ecco l'intoppo: perché questo funzioni, tutti gli elettroni in un contenitore devono avere quasi le stesse proprietà. Nel grafene a doppio strato contorto, non lo fanno. In questo sistema, gli elettroni hanno diversi livelli di una proprietà nota come curvatura di Berry, che fa sì che ogni elettrone sperimenti un campo magnetico legato al suo particolare momento.
Quando si riempiono i contenitori, la curvatura di Berry degli elettroni deve essere uniforme affinché appaia lo stato frazionario dell'isolante di Chern. È qui che entra in gioco un piccolo campo magnetico applicato. "Abbiamo dimostrato che possiamo applicare un campo magnetico molto piccolo per distribuire uniformemente la curvatura di Berry tra gli elettroni nel sistema, permettendoci di osservare un isolante Chern frazionario nel grafene a doppio strato intrecciato", ha spiegato Yonglong Xie, un borsista post-dottorato presso SEAS e co-primo autore dell'articolo.
"Questa ricerca fa luce sull'importanza della curvatura di Berry per realizzare stati esotici frazionati e potrebbe indicare piattaforme alterative in cui la curvatura di Berry non è così eterogenea come lo è nel grafene contorto. La prospettiva realistica di accoppiare questi stati esotici con la superconduttività, possibilmente consentendo la creazione e il controllo di quasiparticelle topologiche ancora più esotiche conosciute come qualunquoni".