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Efecto Hall cuántico fraccional

El efecto Hall cuántico fraccional ( FQHE ) es un fenómeno físico en el que la conductancia Hall de electrones bidimensionales (2D) muestra mesetas cuantificadas con precisión en valores fraccionarios de , donde e es la carga del electrón y h es la constante de Planck . Es una propiedad de un estado colectivo en el que los electrones unen líneas de flujo magnético para formar nuevas cuasipartículas , y las excitaciones tienen una carga elemental fraccionaria y posiblemente también estadísticas fraccionarias. El Premio Nobel de Física de 1998 fue otorgado a Robert Laughlin , Horst Störmer y Daniel Tsui "por su descubrimiento de una nueva forma de fluido cuántico con excitaciones cargadas fraccionariamente". [1] [2] El origen microscópico del FQHE es un tema de investigación importante en la física de la materia condensada .

Descripciones

Problema sin resolver en física :
¿Qué mecanismo explica la existencia del estado ν = 5/2 en el efecto Hall cuántico fraccional?

El efecto Hall cuántico fraccional (FQHE) es un comportamiento colectivo en un sistema 2D de electrones. En campos magnéticos particulares, el gas de electrones se condensa en un estado líquido notable, que es muy delicado, requiere material de alta calidad con una baja concentración de portadores y temperaturas extremadamente bajas. Al igual que en el efecto Hall cuántico entero , la resistencia Hall sufre ciertas transiciones Hall cuánticas para formar una serie de mesetas. Cada valor particular del campo magnético corresponde a un factor de llenado (la relación de electrones a cuantos de flujo magnético ).

donde p y q son números enteros sin factores comunes. Aquí q resulta ser un número impar con excepción de dos factores de relleno 5/2 y 7/2. Las series principales de tales fracciones son

y

Las cuasipartículas cargadas fraccionariamente no son bosones ni fermiones y presentan estadísticas aniónicas . El efecto Hall cuántico fraccionario sigue siendo influyente en las teorías sobre el orden topológico . Ciertas fases Hall cuánticas fraccionarias parecen tener las propiedades adecuadas para construir una computadora cuántica topológica .

Historia y desarrollos

El FQHE fue descubierto experimentalmente en 1982 por Daniel Tsui y Horst Störmer , en experimentos realizados sobre heteroestructuras hechas de arseniuro de galio desarrollado por Arthur Gossard .

Hubo varios pasos importantes en la teoría del FQHE.

Tsui, Störmer y Robert B. Laughlin recibieron el Premio Nobel de Física en 1998 por su trabajo.

Evidencia de cuasipartículas con carga fraccionaria

Los experimentos han arrojado resultados que apoyan específicamente la comprensión de que hay cuasipartículas con carga fraccionaria en un gas de electrones en condiciones FQHE.

En 1995, la carga fraccionaria de las cuasipartículas de Laughlin se midió directamente en un electrómetro de antídoto cuántico en la Universidad Stony Brook , Nueva York . [8] En 1997, dos grupos de físicos del Instituto de Ciencias Weizmann en Rehovot , Israel , y del laboratorio del Comisariado de Energía Atómica cerca de París , [9] detectaron dichas cuasipartículas que transportaban una corriente eléctrica , a través de la medición del ruido de disparo cuántico [10] [11] Ambos experimentos han sido confirmados con certeza. [ cita requerida ]

Un experimento más reciente, [12] mide la carga de la cuasipartícula.

Impacto

El efecto FQH muestra los límites de la teoría de ruptura de simetría de Landau . Anteriormente se sostenía que la teoría de ruptura de simetría podía explicar todos los conceptos y propiedades importantes de las formas de la materia. Según este punto de vista, lo único que había que hacer era aplicar la teoría de ruptura de simetría a todos los diferentes tipos de fases y transiciones de fase . [13] Desde esta perspectiva, la importancia del FQHE descubierto por Tsui, Stormer y Gossard es notable por cuestionar las antiguas perspectivas.

La existencia de líquidos FQH sugiere que hay mucho más por descubrir más allá del paradigma actual de ruptura de simetría en la física de la materia condensada. Los diferentes estados FQH tienen todos la misma simetría y no pueden describirse mediante la teoría de ruptura de simetría. La carga fraccionaria asociada , las estadísticas fraccionarias , las estadísticas no abelianas , los estados de borde quirales , etc. demuestran el poder y la fascinación de la emergencia en sistemas de muchos cuerpos. Por lo tanto, los estados FQH representan nuevos estados de la materia que contienen un tipo de orden completamente nuevo: el orden topológico . Por ejemplo, las propiedades que alguna vez se consideraron isotrópicas para todos los materiales pueden ser anisotrópicas en planos 2D. El nuevo tipo de órdenes representados por los estados FQH enriquecen enormemente nuestra comprensión de las fases cuánticas y las transiciones de fase cuántica . [14] [15]

Véase también

Notas

  1. ^ "El Premio Nobel de Física 1998". www.nobelprize.org . Consultado el 28 de marzo de 2018 .
  2. ^ Schwarzschild, Bertram (1998). «El Premio Nobel de Física va para Tsui, Stormer y Laughlin por el efecto Hall cuántico fraccional». Physics Today . 51 (12): 17–19. Bibcode :1998PhT....51l..17S. doi :10.1063/1.882480. Archivado desde el original el 15 de abril de 2013 . Consultado el 20 de abril de 2012 .
  3. ^ An, Sanghun; Jiang, P.; Choi, H.; Kang, W.; Simon, SH; Pfeiffer, LN; West, KW; Baldwin, KW (2011). "Trenzado de anyones abelianos y no abelianos en el efecto Hall cuántico fraccional". arXiv : 1112.3400 [cond-mat.mes-hall].
  4. ^ Greiter, M. (1994). "Formulación microscópica de la jerarquía de estados Hall cuantizados". Physics Letters B . 336 (1): 48–53. arXiv : cond-mat/9311062 . Código Bibliográfico :1994PhLB..336...48G. doi :10.1016/0370-2693(94)00957-0. S2CID  119433766.
  5. ^ MacDonald, AH; Aers, GC; Dharma-wardana, MWC (1985). "Jerarquía de plasmas para estados Hall cuánticos fraccionarios". Physical Review B . 31 (8): 5529–5532. Bibcode :1985PhRvB..31.5529M. doi :10.1103/PhysRevB.31.5529. PMID  9936538.
  6. ^ Moore, G.; Read, N. (1990). "Nonabeliones en el efecto Hall cuántico fraccional". Nucl. Phys . B360 (2): 362. Bibcode :1991NuPhB.360..362M. doi : 10.1016/0550-3213(91)90407-O .
  7. ^ Hansson, TH; Hermanns, M.; Simon, SH; Viefers, SF (2017). "Física cuántica de Hall: Jerarquías y técnicas de teoría de campos conforme". Rev. Mod. Phys . 89 (2): 025005. arXiv : 1601.01697 . Código Bibliográfico :2017RvMP...89b5005H. doi :10.1103/RevModPhys.89.025005. S2CID  118614055.
  8. ^ Goldman, VJ; Su, B. (1995). "Efectos de túnel resonantes en el régimen Hall cuántico: medición de la carga fraccionaria". Science . 267 (5200): 1010–2. Bibcode :1995Sci...267.1010G. doi :10.1126/science.267.5200.1010. PMID  17811442. S2CID  45371551.
    • "Observación directa de carga fraccionaria". Universidad Stony Brook . 2003. Archivado desde el original el 7 de octubre de 2003.
  9. ^ L. Saminadayar; DC Glattli; Y. Jin; B. Etienne (1997). "Observación de la cuasipartícula de Laughlin con carga fraccionaria e/3". Physical Review Letters . 79 (13): 2526–2529. arXiv : cond-mat/9706307 . Código Bibliográfico :1997PhRvL..79.2526S. doi :10.1103/PhysRevLett.79.2526. S2CID  119425609.
  10. ^ "Portadores de carga fraccionarios descubiertos". Physics World . 24 de octubre de 1997 . Consultado el 8 de febrero de 2010 .
  11. ^ R. de Picciotto; M. Reznikov; M. Heiblum; V. Umansky; G. Bunin; D. Mahalu (1997). "Observación directa de una carga fraccionaria". Naturaleza . 389 (6647): 162. arXiv : cond-mat/9707289 . Código Bib :1997Natur.389..162D. doi :10.1038/38241. S2CID  4310360.
  12. ^ J. Martín; S. Ilani; B. Verdene; J. Smet; V. Umansky; D. Mahalu; D. Schuh; G. Abstreiter; A. Yacoby (2004). "Localización de cuasipartículas cargadas fraccionariamente". Ciencia . 305 (5686): 980–3. Código Bib : 2004 Ciencia... 305.. 980M. doi : 10.1126/ciencia.1099950. PMID  15310895. S2CID  2859577.
  13. ^ Rychkov VS, Borlenghi S, Jaffres H, Fert A, Waintal X (agosto de 2009). "Par de giro y ondulación en multicapas magnéticas: un puente entre la teoría de Valet-Fert y los enfoques cuánticos". Phys. Rev. Lett . 103 (6): 066602. arXiv : 0902.4360 . Código Bibliográfico :2009PhRvL.103f6602R. doi :10.1103/PhysRevLett.103.066602. PMID  19792592. S2CID  209013.
  14. ^ Callaway DJE (abril de 1991). "Matrices aleatorias, estadísticas fraccionarias y el efecto Hall cuántico". Phys. Rev. B . 43 (10): 8641–8643. Bibcode :1991PhRvB..43.8641C. doi :10.1103/PhysRevB.43.8641. PMID  9996505.
  15. ^ Selby, NS; Crawford, M.; Tracy, L.; Reno, JL; Pan, W. (1 de septiembre de 2014). "Rotación biaxial in situ a bajas temperaturas en campos magnéticos elevados". Review of Scientific Instruments . 85 (9): 095116. Bibcode :2014RScI...85i5116S. doi : 10.1063/1.4896100 . ISSN  0034-6748. PMID  25273781.

Referencias