Físicos descobrem novos fenômenos em efeitos Hall quânticos fracionários

Imagine uma planície bidimensional, em vez do nosso mundo tridimensional, onde as regras da física são viradas de cabeça para baixo e partículas como elétrons desafiam as expectativas para revelar novos segredos. É exatamente isso que uma equipe de pesquisadores, incluindo o professor de física da Georgia State University, Ramesh G. Mani, e o recém-formado Ph.D. U. Kushan Wijewardena, tem estudado nos laboratórios da Georgia State.

Os seus estudos resultaram numa descoberta recentemente publicada na revista Física das Comunicações. A equipe investigou o mundo enigmático dos efeitos Hall quânticos fracionários (FQHE), descobrindo fenômenos novos e inesperados quando esses sistemas são investigados de novas maneiras e levados além de seus limites usuais.

“A pesquisa sobre efeitos Hall quânticos fracionários tem sido um foco importante da física moderna da matéria condensada por décadas porque as partículas em flatland podem ter múltiplas personalidades e podem exibir uma personalidade dependente do contexto sob demanda”, disse Mani. “Nossas últimas descobertas expandem os limites deste campo, oferecendo novos insights sobre esses sistemas complexos.”

O efeito Hall quântico tem sido uma área vibrante e essencial na física da matéria condensada desde 1980, quando Klaus von Klitzing relatou sua descoberta de que uma simples medição elétrica poderia dar valores muito precisos para algumas constantes fundamentais que determinam o comportamento do nosso universo. Essa descoberta lhe rendeu um Prêmio Nobel em 1985.

Em 1998, um Prêmio Nobel foi concedido pela descoberta e compreensão do efeito Hall quântico fracionário, que sugeriu que partículas flatland poderiam ter cargas fracionárias. A jornada continuou com a descoberta do grafeno, um material que mostrou a possibilidade de elétrons sem massa em flatland, levando a outro Prêmio Nobel em 2010.

Por fim, teorias sobre novas fases da matéria, relacionadas ao efeito Hall quântico, foram reconhecidas com o Prêmio Nobel em 2016.

A física da matéria condensada deu origem a descobertas que tornaram possíveis eletrônicos modernos como celulares, computadores, GPS, iluminação LED, células solares e até mesmo carros autônomos. A ciência plana e os materiais planos estão agora sendo estudados na física da matéria condensada com o objetivo de realizar eletrônicos futuros mais eficientes em termos de energia, flexíveis, rápidos e leves, incluindo novos sensores, células solares de maior eficiência, computadores quânticos e computadores quânticos topológicos.

Em uma série de experimentos em condições extremamente frias, perto de -459°F (-273°C), e sob um campo magnético quase 100.000 vezes mais forte que o da Terra, Mani, Wijewardena e colegas foram trabalhar. Eles aplicaram uma corrente suplementar a dispositivos semicondutores de alta mobilidade feitos de uma estrutura sanduíche de materiais de arsenieto de gálio (GaAs) e arsenieto de gálio e alumínio (AlGaAs), o que ajuda a realizar elétrons em uma planície.

Eles observaram todos os estados FQHE se dividindo inesperadamente, seguidos por cruzamentos de ramos divididos, o que lhes permitiu explorar os novos estados de não equilíbrio desses sistemas quânticos e revelar estados inteiramente novos da matéria.

O estudo destaca o papel crucial dos cristais de alta qualidade, produzidos no Instituto Federal Suíço de Tecnologia de Zurique pelo Professor Werner Wegscheider e pelo Dr. Christian Reichl, no sucesso desta pesquisa.

“Pense no estudo tradicional dos efeitos Hall quânticos fracionários como explorar o andar térreo de um edifício”, disse Mani. “Nosso estudo é sobre procurar e descobrir os andares superiores — aqueles níveis excitantes e inexplorados — e descobrir como eles se parecem. Surpreendentemente, com uma técnica simples, fomos capazes de acessar esses andares superiores e descobrir assinaturas complexas dos estados excitados.”

Wijewardena, que obteve seu doutorado em física pela Georgia State no ano passado e agora é membro do corpo docente do Georgia College and State University em Milledgeville, expressou seu entusiasmo com o trabalho deles.

“Temos trabalhado nesses fenômenos por muitos anos, mas esta é a primeira vez que relatamos essas descobertas experimentais sobre a obtenção de estados excitados de estados Hall quânticos fracionários induzidos pela aplicação de um viés de corrente contínua”, disse Wijewardena. “Os resultados são fascinantes, e levou um bom tempo para termos uma explicação viável para nossas observações.”

O estudo não apenas desafia teorias existentes, mas também sugere uma origem híbrida para os FQHEs de estado excitado de não equilíbrio observados. Esta abordagem inovadora e os resultados inesperados destacam o potencial para novas descobertas no campo da física da matéria condensada, inspirando pesquisas futuras e avanços tecnológicos.

As implicações das descobertas da equipe se estendem muito além do laboratório, sugerindo insights potenciais para computação quântica e ciência de materiais. Ao explorar esses territórios desconhecidos, esses pesquisadores estão preparando o terreno — e treinando novas gerações de estudantes — para tecnologias futuras que podem revolucionar tudo, do processamento de dados à eficiência energética, ao mesmo tempo em que impulsionam a economia de alta tecnologia.

Mani, Wijewardena e sua equipe agora estão estendendo seus estudos para condições ainda mais extremas, explorando novos métodos para medir parâmetros desafiadores de planícies. À medida que avançam, eles antecipam descobrir mais nuances nesses sistemas quânticos, contribuindo com insights valiosos para o campo. Com cada experimento, a equipe se aproxima mais da compreensão dos comportamentos complexos em jogo, permanecendo aberta à possibilidade de novas descobertas ao longo do caminho.