Nuevas Oscilaciones Cuánticas en el Grafeno

Las oscilaciones de las propiedades físicas de los materiales con el campo magnético son un fenómeno bien conocido e importante en la física. A pesar de tener una gran variedad de manifestaciones experimentales, sólo hay unos pocos tipos básicos de oscilaciones: las de origen cuántico o semiclásico. Las oscilaciones cuánticas están determinadas por la cuantización de Landau de los niveles de energía de los metales en campos magnéticos elevados y suelen observarse a temperaturas muy bajas y en materiales metálicos monocristalinos muy limpios.

El estudio de estas oscilaciones nos proporciona información importante sobre las propiedades de las partículas y los átomos. Por ejemplo, permite cartografiar la superficie de Fermi. También permite extraer información sobre las masas y el camino libre medio de las cuasipartículas y el grado de correlaciones electrónicas en varios sistemas electrónicos fuertemente correlacionados.

Las oscilaciones cuánticas pueden observarse en el movimiento ciclotrónico de los portadores de carga en metales y semiconductores. Este movimiento conduce a la cuantización de Landau y al comportamiento magneto-oscilante en sus propiedades. Los electrones que se mueven a través de un potencial de red espacialmente periódico desarrollan un espectro de energía cuantizado que consiste en bandas de Bloch discretas. En dos dimensiones, los electrones que se mueven a través de un campo magnético también desarrollan un espectro de energía cuantizado, que consiste en niveles de energía de Landau altamente degenerados. Cuando están sujetos tanto a un campo magnético como a un potencial electrostático periódico, los sistemas bidimensionales de electrones presentan un espectro energético recursivo autosimilar. Conocido como la mariposa de Hofstadter, este espectro complejo es el resultado de una interacción entre las longitudes características asociadas a los dos campos de cuantización y es uno de los primeros fractales cuánticos descubiertos en física.

Por lo general, para observar estas oscilaciones cuánticas, es necesario utilizar temperaturas criogénicas. Sin embargo, un equipo de investigación dirigido por R. Krishna Kumar, de la Universidad de Manchester, demostró que las superredes de grafeno admiten un tipo diferente de oscilación cuántica que no depende de la cuantización de Landau.

Observaron que estas oscilaciones son extremadamente robustas y persisten muy por encima de la temperatura ambiente en campos magnéticos de sólo unos pocos tesla. Atribuyeron este fenómeno a cambios repetitivos en la estructura electrónica de las superredes, de modo que los portadores de carga no experimentan ningún campo magnético en fracciones simples del flujo cuántico. Utilizaron esto para explorar la física de los sistemas de mariposa de Hofstadter a altas temperaturas.

"Los efectos cuánticos oscilantes siempre presentan hitos en nuestra comprensión de las propiedades de los materiales. Son extremadamente raros. Hace más de 30 años que se informó de un nuevo tipo de oscilación cuántica. [...] Nuestras oscilaciones destacan por su extrema robustez, al producirse en condiciones ambientales en campos magnéticos fácilmente accesibles".- Andre Geim, Universidad de Manchester

Obtuvieron resultados interesantes sobre la mariposa de Hofstadter, un patrón fractal que describe el comportamiento de los electrones en un campo magnético. En el trabajo teórico original en el que se basa la mariposa de Hofstadter los electrones modelados para crear el patrón fractal fueron tratados como electrones Bloch (electrones que no interactúan entre sí y se mueven dentro de un potencial eléctrico periódico dentro de una red). Los nuevos resultados mostrados en el grafeno ilustran cómo estos complejos patrones fractales pueden ser vistos como la cuantización de Langmuir, que es la cuantización de las órbitas ciclotrónicas (tomando lo que normalmente se piensa como una órbita circular y viéndola en cambio como lineal).

"Nuestro trabajo ayuda a desmitificar la mariposa de Hofstadter. La compleja estructura fractal del espectro de la mariposa de Hofstadter puede entenderse como una simple cuantización de Landau en la secuencia de nuevos metales creada por un campo magnético." - Profesor Vladimir Falko, Director del Instituto Nacional del Grafeno

Las oscilaciones cuánticas siempre se han considerado muy frágiles, se destruyen fácilmente a temperaturas más altas. Pero ahora se ha demostrado que pueden observarse a temperatura ambiente, o incluso superior. Se trata de una noticia muy prometedora para posibles nuevas aplicaciones de estos y otros sistemas que se basan en el apilamiento de Van der Waals de materiales bidimensionales.

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