Recientes investigaciones realizadas por un equipo de científicos de la Universidad de Purdue han proporcionado evidencia experimental de un fenómeno fascinante en la física cuántica conocido como «túnel de anyones» en un líquido cuántico Hall fraccionario. Este estudio, publicado en Nature Physics, confirma las predicciones teóricas de la teoría del líquido Luttinger quiral, que describe el comportamiento colectivo de electrones en sistemas bidimensionales bajo fuertes campos magnéticos.
Los electrones en estos sistemas, cuando se encuentran en condiciones específicas, forman lo que se denomina líquidos cuánticos Hall fraccionarios, donde se generan cuasipartículas que transportan solo una fracción de la carga de un electrón y obedecen estadísticas cuánticas inusuales. A pesar de que la teoría del líquido Luttinger quiral fue introducida en la década de 1990, las evidencias experimentales que confirmaran sus postulados habían sido escasas.
Investigación y hallazgos
El equipo liderado por Michael Manfra utilizó interferómetros de Fabry-Pérot para medir cargas fraccionadas y estadísticas de trenzado de anyones en el régimen del líquido Hall fraccionario. Su investigación se centró en medir el túnel entre modos de borde unidimensionales en un dispositivo diseñado específicamente para facilitar el estudio de estos fenómenos.
Manfra explicó que su diseño de heteroestructura superó un desafío importante en la demostración de las propiedades de los líquidos Luttinger chirales, específicamente la reconstrucción de bordes que conlleva un comportamiento no ideal. Este avance permitió a los investigadores observar el fenómeno del túnel de anyones, que es crucial para entender la ordenación topológica que subyace en estos estados cuánticos.
Los investigadores lograron establecer que el exponente de escalado del túnel es g=1/3, tal como había sido predicho por la teoría de Wen. Este hallazgo se llevó a cabo mediante la medición de corrientes extremadamente pequeñas, del orden de un picoampere, a temperaturas cercanas al cero absoluto y bajo un campo magnético de aproximadamente 10 teslas.
El dispositivo utilizado, conocido como contacto puntual cuántico, consta de dos puertas metálicas muy estrechas que se acercan a 300 nanómetros entre sí, permitiendo así que los anyones puedan túnelar de un borde al otro, generando una corriente que se mide con amplificadores sensibles. Este enfoque innovador ha permitido a los investigadores no solo medir el exponente de escalado, sino también las estadísticas de trenzado de anyones, todo en una plataforma de dispositivo única.
Los resultados de este estudio abren nuevas posibilidades para investigar líquidos cuánticos Hall fraccionarios y validar predicciones teóricas que hasta ahora no habían sido concluyentemente confirmadas. Los investigadores esperan aplicar las mismas metodologías experimentales para explorar otros estados interesantes, como el supuesto estado no abeliano en n=5/2, que podría tener implicaciones significativas en la computación cuántica.
Manfra también expresó su deseo de que la arquitectura de su dispositivo sea utilizada en otros sistemas materiales interesantes, ampliando las fronteras del conocimiento en física de materiales. La comunidad de materiales bidimensionales y la de líquidos cuánticos de espín ya están comenzando a aprovechar conceptos similares en sus investigaciones, como se ha evidenciado en experimentos recientes realizados en grafeno.
