La sorpresa cuántica del grafeno

Un equipo de físicos de EE.UU. y Alemania han descubierto una nueva característica del grafeno. Este material, que se ha convertido en una especie de “estrella” para los científicos -que le encuentran todos los días alguna aplicación nueva- parece poseer una  característica conocida como “efecto Hall cuántico fraccionario”, diferente a todo lo observado en los materiales convencionales.   El hallazgo, dicen, podría ayudar a desarrollar los ordenadores cuánticos en el futuro.

¿Hay algo que no pueda hacer el grafeno? En parte, como hemos explicado a menudo en NeoTeo, por que sus propiedades son realmente extraordinarias y en parte por que se ha convertido en un tema “de moda” entre los físicos, el grafeno es noticia prácticamente todos los días. Miles de laboratorios alrededor del mundo se encuentran trabajando con este material, buscando aplicaciones prácticas (y rentables patentes) por lo que no es extraño que periódicamente se le descubran nuevas propiedades. Uno de los últimos hallazgos proviene de un equipo de físicos de EE.UU. (Universidad de Harvard ) y Alemania (Instituto Max-Planck de Física del Estado Sólido), liderados por Amir Yacoby, que ha descubierto en el grafeno lo que llaman “efecto Hall cuántico fraccionario” (FQHE, por fractional quantum Hall effect).

Aunque, como imaginarás, el FQHE no es demasiado fácil de comprender (salvo que tengas una sólida base científica), pero se puede explicar utilizando términos sencillos. Este efecto tiene lugar cuando los portadores de carga (básicamente electrones) se encuentran confinados en un espacio 2D y son atravesados perpendicularmente, a lo largo del eje Z, por un campo magnético. El grafeno, como ya hemos explicado alguna vez, es una retícula bidimensional de átomos, por lo que era un buen candidato para buscar en él este efecto. Cuando se induce una corriente a lo largo del eje X de esta malla, aparece una tensión -denominada tensión de Hall– en la dirección Y. A temperaturas muy bajas, esta tensión se cuantifica en etapas diferentes o estados Hall. El FQHE difiere del efecto Hall cuántico entero más conocido. Aparece como resultado de las interacciones fuertes que se producen entre los electrones, provocando que estos portadores de carga se comportan como cuasi-partículas, con una carga que es una fracción de la de un electrón. Estas cuasi-partículas de carga fraccionada  son las responsables del FQHE y, posiblemente, una característica muy útil para el desarrollo de futuros ordenadores cuánticos.

El trabajo, que fue publicado en la última edición de Science, se basó en un transistor de un solo electrón (SET, por single-electron transistor). Este dispositivo se utilizó como si fuese un sensor capaz de determinar las brechas de energía que se produjeron en el material. Además de producir el mencionado FQHE, las interacciones fuertes suelen provocar importantes fenómenos colectivos, tales como la superconductividad, la superfluidez y el magnetismo. Por lo tanto, los trabajos científicos destinados a mejorar nuestra comprensión sobre estas interacciones tienen una gran importancia para la ciencia.