Le particelle e i fenomeni quantistici esotici sono come gli atleti d'élite più audaci del mondo. Come i free climber solitari che scalano pareti di roccia impossibilmente ripide senza corda o imbracatura, solo le condizioni più estreme li invogliano a presentarsi. Per fenomeni esotici come la superconduttività o le particelle che portano una frazione della carica di un elettrone, questo significa temperature estremamente basse o campi magnetici estremamente alti.

Ma cosa succederebbe se si potesse far comparire queste particelle e questi fenomeni in condizioni meno estreme? Molto è stato fatto del potenziale della superconduttività a temperatura ambiente, ma la generazione di particelle esotiche con carica frazionaria in un campo magnetico da basso a zero è altrettanto importante per il futuro dei materiali e delle applicazioni quantistiche, compresi nuovi tipi di calcolo quantistico.

Ora, un team di ricercatori dell'Università di Harvard guidato da Amir Yacoby, professore di fisica e di fisica applicata alla Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) e Ashvin Vishwanath, professore di fisica nel dipartimento di fisica, in collaborazione con Pablo Jarillo-Herrero al Massachusetts Institute of Technology, hanno osservato per la prima volta stati frazionali esotici a basso campo magnetico nel grafene bilayer ritorto.

La ricerca è pubblicata su Nature.

"Uno dei sacri graal nel campo della fisica della materia condensata è ottenere particelle esotiche con un campo magnetico basso o nullo", ha detto Yacoby, autore senior dello studio. "Ci sono state previsioni teoriche che dovremmo essere in grado di vedere queste particelle bizzarre con campo magnetico da basso a zero, ma nessuno è stato in grado di osservarlo fino ad ora".

I ricercatori erano interessati a uno specifico stato quantico esotico noto come isolatori di Chern frazionali. Gli isolanti di 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 degli elettroni formano ciò che è noto come quasiparticelle, una particella che emerge da interazioni complesse tra un gran numero di altre particelle. Il suono, per esempio, può essere descritto come una quasiparticella perché emerge dalle interazioni complesse delle particelle in un materiale. Come le particelle fondamentali, le quasiparticelle hanno proprietà ben definite come la massa e la carica.

Negli isolanti di Chern frazionali, le interazioni degli elettroni sono così forti all'interno del materiale che le quasiparticelle sono costrette a portare una frazione della carica degli elettroni normali. Queste particelle frazionarie hanno bizzarre proprietà quantistiche che potrebbero essere utilizzate per creare bit quantistici robusti che sono estremamente resistenti alle interferenze esterne.

Per costruire il loro isolante, i ricercatori hanno usato due fogli di grafene ritorti insieme al cosiddetto angolo magico. La torsione 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 un grande potenziale per generare stati quantici frazionali, come mostrato teoricamente dal gruppo di Vishwanath ad Harvard.

Pensate a queste bande di Chern come a dei secchi che si riempiono di elettroni.

"Negli studi precedenti, era necessario un grande campo magnetico per generare questi secchi, che sono i mattoni topologici necessari per ottenere queste particelle frazionali esotiche", ha detto Andrew T. Pierce, uno studente laureato nel gruppo di Yacoby e co-proprio autore del documento. "Ma il grafene bilayer a torsione ad angolo magico ha già queste utili unità topologiche costruite a campo magnetico zero".

Per generare stati frazionari, i ricercatori hanno bisogno di riempire i secchi una frazione del modo con gli elettroni. Ma ecco l'intoppo: perché questo funzioni, tutti gli elettroni in un secchio devono avere quasi le stesse proprietà. Nel grafene bilayer ritorto, non è così. In questo sistema, gli elettroni hanno diversi livelli di una proprietà nota come la curvatura di Berry, che fa sì che ogni elettrone sperimenti un campo magnetico legato al suo particolare momento. (È più complicato di così, ma cosa non lo è nella fisica quantistica?)

Quando si riempiono i secchi, la curvatura di Berry degli elettroni deve essere livellata per far apparire lo stato di isolante di Chern frazionario.

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 di Chern frazionato nel grafene bilayer ritorto", ha detto Yonglong Xie, un borsista post-dottorato al SEAS e co-proprio autore del documento. "Questa ricerca fa luce sull'importanza della curvatura di Berry per realizzare stati esotici frazionati e potrebbe indicare piattaforme alternative in cui la curvatura di Berry non è così eterogenea come nel grafene ritorto".

"Il grafene bilayer ritorto è il regalo che continua a dare e questa scoperta degli isolanti di Chern frazionali è probabilmente uno dei progressi più significativi nel campo", ha detto Vishwanath, autore senior dello studio. È sorprendente pensare che questo materiale meraviglioso sia fatto della stessa materia della punta della vostra matita". "

"La scoperta degli isolanti di Chern frazionali a basso campo magnetico nel grafene bilayer ad angolo magico apre un nuovo capitolo nel campo della materia quantistica topologica", ha detto Jarillo-Herrero, il Cecil and Ida Green Professor of Physics al MIT e autore senior dello studio. "Offre la prospettiva realistica di accoppiare questi stati esotici con la superconduttività, permettendo eventualmente la creazione e il controllo di quasiparticelle topologiche ancora più esotiche, note come anyon".

La ricerca è stata co-autore di Jeong Min Park, Daniel E. Parker, Eslam Khalaf, Patrick Ledwith, Yuan Cao, Seung Hwan Lee, Shaowen Chen, Patrick R. Forrester, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi.

È stato sostenuto in parte dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, Basic Energy Sciences Office, Division of Materials Sciences and Engineering con il premio DE-SC0001819, Gordon and Betty Moore Foundation, National Science Foundation e Simons Foundation.