Bertrand Halperin pronosticó que el efecto Hall cuántico QHE, que antes era conocido para los sistemas bidimensionales 2D, sería posible para los sistemas tridimensionales 3D en 1987, pero la teoría no se probó hasta hace pocopor investigadores de la Universidad de Tecnología y Diseño de Singapur SUTD y sus colaboradores de investigación de todo el mundo.
El efecto Hall, una técnica fundamental para la caracterización del material, se forma cuando un campo magnético desvía el flujo de electrones hacia los lados y conduce a una caída de voltaje en la dirección transversal. En 1980, se realizó una observación sorprendente al medir el efecto Hall paraun gas electrónico bidimensional 2D atrapado en una estructura de semiconductores: la resistividad Hall medida mostraba una serie de mesetas completamente planas, cuantificadas a valores con una precisión notable de una parte en 10 mil millones. Esto se conoció como QHE.
Desde entonces, QHE ha revolucionado nuestra comprensión fundamental de la física de la materia condensada, generando un vasto campo de investigación en física. Muchos temas nuevos emergentes, como los materiales topológicos, también se remontan a él.
Poco después de su descubrimiento, los investigadores buscaron la posibilidad de generalizar QHE de sistemas 2D a tres dimensiones 3D. Bertrand Halperin predijo que tal efecto generalizado, llamado QHE 3D, es posible en un artículo seminal publicado en 1987.En el análisis teórico, dio firmas para 3D QHE y señaló que las interacciones mejoradas entre los electrones bajo un campo magnético pueden ser la clave para conducir un material metálico al estado 3D QHE.
Han pasado 30 años desde la predicción de Halperin y si bien se han realizado esfuerzos continuos para tratar de realizar QHE 3D en el experimento, se ha eludido la evidencia clara debido a las estrictas condiciones requeridas para QHE 3D: el material debe ser muy puro, teneralta movilidad y baja densidad de portadores.
El colaborador experimental de SUTD, la Universidad de Ciencia y Tecnología del Sur SUSTech en China, ha estado trabajando en un material único conocido como ZrTe5 desde 2014. Este material puede satisfacer las condiciones requeridas y exhibir las firmas de 3D QHE.
En el trabajo de investigación publicado en Naturaleza , los investigadores muestran que cuando el material se enfría a una temperatura muy baja mientras está bajo un campo magnético moderado, su resistividad longitudinal cae a cero, lo que indica que el material se transforma de un metal a un aislante. Esto se debe a las interacciones electrónicas dondelos electrones se redistribuyen y forman una onda de densidad periódica a lo largo de la dirección del campo magnético como se ilustra en la imagen llamada onda de densidad de carga.
"Este cambio generalmente congelaría el movimiento del electrón y el material se volvería aislante, impidiendo que el electrón fluya a través del interior del material. Sin embargo, al usar este material único, los electrones pueden moverse a través de las superficies, dando una resistividad Hall cuantificada porla longitud de onda de la onda de densidad de carga ", explicó el coautor Profesor Zhang Liyuan de SUSTech. Esto a su vez demuestra la primera demostración de la larga QHE 3D especulativa, empujando el famoso QHE de 2D a 3D.
"Podemos esperar que el descubrimiento de 3D QHE conduzca a nuevos avances en nuestro conocimiento de la física y proporcione una gran variedad de nuevos efectos físicos. Este nuevo conocimiento, de una forma u otra, también nos brindará nuevas oportunidades para la tecnología prácticadesarrollo ", dijo el coautor, profesor asistente Yang Shengyuan de SUTD.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionados por Universidad de Tecnología y Diseño de Singapur . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencia del diario :
Cite esta página :