Los físicos de RIKEN han demostrado un estado cuántico único llamado efecto Hall cuántico anómalo en un dispositivo similar a un disco, lo que demuestra que los estados de borde no son necesarios para este proceso. El equipo demostró la infusión de carga de Laughlin en un aislador Hall anómalo utilizando un disco en forma de rosquilla en capas compuesto por diferentes aisladores topológicos magnéticos. Este descubrimiento amplía la posibilidad de descubrir más fenómenos electrónicos nuevos en dichos materiales.

Contrariamente a las expectativas, los experimentos han demostrado que los bordes no son necesarios para realizar un efecto cuántico inusual.

Los físicos de RIKEN han creado por primera vez un estado cuántico exótico en un dispositivo con una geometría similar a un disco, lo que demuestra que no se requieren bordes. Esta demostración abre el camino para realizar otro nuevo comportamiento electrónico.

Hace tiempo que la física se alejó de los tres estados clásicos de la materia: sólido, líquido y gaseoso. Una mejor comprensión teórica de los efectos cuánticos en los cristales y el desarrollo de herramientas experimentales avanzadas para examinarlos y medirlos han revelado una gran cantidad de estados exóticos de la materia.

Un ejemplo notable es un aislante topológico: un tipo de sólido cristalino que exhibe propiedades completamente diferentes en sus superficies que otros materiales. La manifestación más conocida de esto es que los aisladores topológicos conducen la electricidad en su superficie pero son aislantes en su interior.

Otra manifestación es el llamado «efecto hall cuántico anómalo».

El efecto Hall clásico conocido hace más de un siglo surge cuando una corriente eléctrica que fluye a través de un conductor es desviada de una línea recta por un campo magnético aplicado en ángulo recto con la corriente. Esta desviación da como resultado un voltaje a través del conductor (y la correspondiente resistencia eléctrica).

Figura 1: La estructura en forma de rosquilla del dispositivo utilizado en los experimentos que demuestran el bombeo de carga de Laughlin en un dispositivo sin bordes. Crédito: © 2023 Centro RIKEN para la ciencia de la materia emergente

En algunos materiales magnéticos, este fenómeno puede surgir incluso cuando no se aplica ningún campo magnético, lo que se denomina efecto Hall anómalo.

«La resistencia Hall anómala puede llegar a ser muy grande en los aisladores topológicos», explica Minoru Kawamura del Centro RIKEN para la Ciencia de la Materia Emergente. «A temperaturas más bajas, la resistencia Hall anómala aumenta y alcanza un valor fundamental, mientras que la resistencia a lo largo de la dirección de la corriente se vuelve cero». Este es un efecto Hall cuántico anómalo, y se observó por primera vez en el laboratorio hace casi una década.

Ahora, Kawamura y sus colegas han demostrado un efecto conocido como bombeo de carga de Laughlin en un aislador Hall de anomalía cuántica.

El equipo hizo un disco circular hecho de capas de diferentes aislantes topológicos magnéticos (Fig. 1). Luego midieron cómo la corriente eléctrica a través del dispositivo respondía a un campo magnético alterno generado por los electrodos de metal en las curvas interna y externa de la rosquilla.

Los investigadores notaron que este campo condujo a una acumulación de cargas eléctricas en los extremos del cilindro. Esta es la carga de infusión de Laughlin.

Demostraciones anteriores de aisladores Hall de anomalía cuántica han utilizado dispositivos rectangulares que contienen electrodos de conexión de bordes. Se pensó que los estados electrónicos en estos bordes eran necesarios para soportar el aislador Hall anómalo cuántico.

Pero el descubrimiento del equipo anula esa suposición. «Nuestra demostración de la infusión de carga de Laughlin en un aislador Hall cuántico anómalo utiliza un dispositivo en forma de disco sin canales de borde que conectan los dos electrodos», dice Kawamura. «Nuestro resultado plantea la posibilidad de realizar otros fenómenos electrónicos emocionantes en materiales Hall anómalos cuánticos».

Referencia: “Laughlin Charge Pumping into a Quantum Anomalous Hall Insulator” por Minoru Kawamura, Masataka Muji, Ryotaro Yoshimi, Takahiro Morimoto, K.S. Takahashi, Atsushi Tsukazaki, Naoto Nagausa, Masashi Kawasaki y Yoshinori Tokura, 19 de enero de 2023, disponible aquí . DOI: 10.1038/s41567-022-01888-2