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Em 2018, uma equipe de físicos da Purdue University inventou um dispositivo que mostrou experimentalmente quasipartículas interferindo pela primeira vez no efeito Hall quântico fracionário no fator de preenchimento v = 1/3. O desenvolvimento adicional dessas heteroestruturas permitiu ao Manfra Group expandir sua pesquisa para experimentos que exploram modos de borda carregados em contrafluxo no estado Hall quântico fracionário 2/3.
Eles publicaram recentemente suas descobertas, “Half-Integer Conductance Plateau at the ν = 2/3 Fractional Quantum Hall State in a Quantum Point Contact”, em Cartas de revisão física em 17 de fevereiro de 2023.
A equipe é liderada pelo Dr. Michael J. Manfra, Bill e Dee O’Brien Ilustre Professor de Física e Astronomia, Professor de Engenharia Elétrica e de Computação, Professor de Engenharia de Materiais e Diretor Científico do Microsoft Quantum Lab West Lafayette. O principal autor da publicação é o Dr. James Nakamura, pesquisador sênior. O Dr. Geoffrey Gardner e o aluno de pós-graduação Shuang Liang também foram coautores desta publicação, fazendo contribuições valiosas para o crescimento da heteroestrutura.
No experimento, a equipe produziu um material semicondutor que contém uma folha de elétrons bidimensionais. No topo desse semicondutor, eles construíram um ponto de contato quântico que consiste em portas de metal com uma abertura muito estreita de 300 nanômetros. Eles usaram o ponto de contato quântico para direcionar os estados de borda condutora através da lacuna estreita. Nessa configuração, demonstrada pelo gráfico acima, eles conseguiram medir uma condutância elétrica igual à metade do valor fundamental de e2/h. Este resultado experimental é consistente com previsões teóricas de longa data para os estados de borda do estado Hall quântico fracionário ν = 2/3.
“Temos uma estrutura semicondutora que contém elétrons dispostos em um plano, chamado de sistema de elétrons bidimensional. Quando você resfria os elétrons a uma temperatura baixa e os coloca em um campo magnético forte, eles formam estados especiais da matéria chamados estados Hall quânticos. ”, explica Nakamura. “Em um determinado valor do campo magnético, o estado Hall quântico é chamado de estado Hall quântico fracionário ν = 2/3. Em todos os estados Hall quânticos, a corrente elétrica é transportada por estados de borda que fluem ao redor da borda da amostra e eles são quirais, o que significa que cada estado de borda flui apenas em uma direção (horário ou anti-horário). O estado ν = 2/3 é previsto por físicos teóricos como tendo a propriedade especial de que existem dois estados de borda que fluem na direção oposta para um ao outro, um no sentido horário e o outro no sentido anti-horário. Isso é diferente da maioria dos estados quânticos Hall, onde todos os estados de borda fluem na mesma direção. Usamos um dispositivo com portas de metal chamado contato de ponto quântico para controlar os estados de borda, e nosso as medições dos estados de borda nos contatos de ponto quântico confirmam os estados de borda de contrafluxo em nosso dispositivo. O contato de ponto quântico aproxima os estados de borda em bordas opostas da amostra. Medimos um valor de el condutância elétrica através do dispositivo igual a metade do valor e2/h, onde e é a carga do elétron e h é a constante de Planck. Este valor da condutância é uma forte evidência experimental de que nosso sistema tem a estrutura de borda com dois estados de borda em contrafluxo.”
Esta equipe de físicos de Purdue foi criada exclusivamente para o sucesso na Purdue University devido às instalações de última geração que abrangem crescimento de semicondutores, nanofabricação e medições elétricas de baixa temperatura na universidade.
“Um aspecto crucial são as instalações de nanotecnologia em Purdue”, diz Nakamura. “Isso inclui a máquina, chamada de máquina MBE (epitaxia de feixe molecular), que é usada para produzir as estruturas de semicondutores. Esta máquina muito especializada, operada pelo grupo Manfra, requer experiência para construir e operar, portanto, esta é uma vantagem essencial na Purdue . Liang, sob a orientação de Gardner, é responsável por este aspecto do nosso trabalho. Além disso, a sala limpa no Birck Nanotechnology Center é uma instalação de última geração com uma ampla gama de equipamentos disponíveis para uso, que costumávamos fabricar as portas de contato de ponto quântico. Ter todos esses recursos e conhecimentos disponíveis em uma instituição torna nossos experimentos possíveis.”
Esta pesquisa é parte de uma busca contínua para entender e manipular qualquer um com carga fracionária no regime Hall quântico fracionário, um rico banco de testes para explorar o impacto da topologia na física da matéria condensada que pode ser usado para criar qubits.
Esta pesquisa é apoiada pelo Departamento de Energia dos EUA, Escritório de Ciências, Escritório de Ciências Básicas de Energia, sob o número de prêmio DE-SC0020138.
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