Fraccionalización en la física de la materia condensada
Muchos físicos de la materia condensada albergan el sueño de presenciar la fraccionalización. En este fenómeno, un estado colectivo de electrones lleva una carga que es una fracción de la carga del electrón sin campo magnético.
El concepto de fraccionalización
Eun-Ah Kim, profesora de Física de la Facultad de Artes y Ciencias (A&S), aclara que la fraccionalización no consiste en dividir el electrón en trozos.
En su lugar, consiste en que un grupo de electrones se comporta como si llevara un déficit de carga que no es más que una fracción de la carga de un electrón. Esta observación representa una cumbre de los efectos no triviales derivados de las interacciones de los electrones sólidos.
Kim subraya que conseguir estados con carga fraccionaria no es sólo una cuestión de curiosidad intelectual. Tiene un gran potencial para aplicaciones tecnológicas innovadoras, sobre todo en computación cuántica.
Un avance teórico
Los investigadores del Grupo Kim han propuesto una forma de conseguir la fraccionalización sin campo magnético. Sus hallazgos se explican en el artículo “Fractionalization in Fractional Correlated Insulating States at n ± 1/3 Filled Twisted Bilayer Graphene”, publicado en Physical Review Letters.
El autor principal de esta investigación es Dan Mao, becario postdoctoral del Instituto Bethe/Wilkins/Kavli de Cornell (KIC) en el Laboratorio de Física Atómica y del Estado Sólido (LASSP), con coautores como Kim y el estudiante de doctorado Kevin Zhang.
Los campos magnéticos y la búsqueda de la fraccionalización
En investigaciones anteriores, los físicos lograron la fraccionalización utilizando campos magnéticos para suprimir la energía cinética, amplificar los efectos de interacción y conseguir el célebre efecto Hall cuántico fraccional en sistemas bidimensionales.
Sin embargo, la limitada disponibilidad de campos magnéticos potentes en laboratorios especializados ha impulsado la búsqueda de estrategias alternativas para lograr la fraccionalización sin depender de los campos magnéticos.
Aprovechamiento de los conocimientos geométricos del grafeno bicapa trenzado
El Grupo Kim ha adoptado un enfoque innovador aprovechando los conocimientos geométricos de una red de grafeno bicapa trenzado (TBG) para predecir nuevos efectos.
Aunque el pensamiento geométrico es habitual en los estudios de sistemas magnéticos, hasta ahora no se había aplicado al estudio de la distribución de cargas debido a la naturaleza típicamente isótropa de las funciones de onda de los electrones centradas en los sitios de la red.
En el grafeno bicapa retorcido, los electrones presentan características únicas. Sus funciones de onda no están confinadas a un único lugar de la red, sino que se extienden por múltiples lugares de la red moiré, adoptando una forma anisótropa de trébol de tres hojas.
Caracterización de fases aislantes fraccionarias correlacionadas
Los investigadores proponen la existencia de fases aislantes correlacionadas fraccionarias dentro de los sistemas de grafeno moiré, marcadas por las siguientes propiedades fundamentales:
Las excitaciones llevan cargas eléctricas fraccionarias, un sello distintivo de la fraccionalización.
Algunas excitaciones fraccionarias muestran un comportamiento “fractónico”, limitado a direcciones de movimiento específicas.
Se ha identificado una simetría emergente, crucial para unificar el comportamiento de las excitaciones fraccionarias en estas fases.
Perspectivas de futuro
Kim afirma que este descubrimiento sienta las bases para explorar nuevos conceptos teóricos relacionados con las simetrías emergentes y la dinámica fraccional en un contexto físico. En colaboración con colegas experimentales para validar estas predicciones, los investigadores informan de prometedores resultados preliminares.
Kim concluye que esta investigación representa sólo el principio de un viaje por territorios desconocidos. Con un marco tangible para estudiar conceptos teóricos emergentes, la exploración de propiedades mensurables, como las simetrías emergentes y la dinámica fraccionaria, está preparada para ampliar nuestra comprensión del mundo cuántico.
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