El efecto Hall cuántico fraccional ( FQHE ) es un fenómeno físico en el que la conductancia Hall de electrones 2D muestra mesetas cuantificadas con precisión a valores fraccionarios de. Es una propiedad de un estado colectivo en el que los electrones se unen a las líneas de flujo magnético para formar nuevas cuasipartículas , y las excitaciones tienen una carga elemental fraccionaria y posiblemente también estadísticas fraccionarias. El 1998 el Premio Nobel de Física fue otorgado a Robert Laughlin , Horst Störmer , y Daniel Tsui "por su descubrimiento de una nueva forma de fluido cuántico con excitaciones fraccionalmente cargadas" [1] [2] Sin embargo, la explicación de Laughlin era una suposición fenomenológico [ citación necesario ] y solo se aplica a los empastes dónde es un número entero impar. El origen microscópico del FQHE es un tema de investigación importante en la física de la materia condensada.
Introducción
¿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 bidimensional de electrones. En particular, los campos magnéticos, el gas de electrones se condensa en un notable estado líquido, que es muy delicado y 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 experimenta 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 pyq son números enteros sin factores comunes. Aquí q resulta ser un número impar con la excepción de dos factores de llenado 5/2 y 7/2. La serie principal de tales fracciones son
y
Hubo varios pasos importantes en la teoría del FQHE.
- Estados de Laughlin y cuasipartículas con carga fraccionada : esta teoría, propuesta por Laughlin , se basa en funciones de onda de prueba precisas para el estado fundamental en fracciónasí como sus excitaciones de cuasipartículas y cuasi-orificios. Las excitaciones tienen una carga fraccional de magnitud..
- Estadísticas de intercambio fraccional de cuasipartículas : Bertrand Halperin conjeturó, y Daniel Arovas, JR Schrieffer y Frank Wilczek demostraron, que las excitaciones de cuasipartículas con carga fraccionada de los estados de Laughlin son anyones con ángulo estadístico fraccionario; la función de onda adquiere un factor de fase de(junto con un factor de fase de Aharonov-Bohm) cuando se intercambian cuasipartículas idénticas en sentido antihorario. Un experimento reciente parece dar una clara demostración de este efecto. [3]
- Estados de jerarquía : esta teoría fue propuesta por Duncan Haldane, y más aclarada por Halperin, para explicar las fracciones de llenado observadas que no ocurren en los estados de Laughlin.. Comenzando con los estados de Laughlin, se pueden formar nuevos estados en diferentes rellenos condensando cuasipartículas en sus propios estados de Laughlin. Los nuevos estados y sus rellenos están limitados por las estadísticas fraccionarias de las cuasipartículas, lo que produce, por ejemplo, y estados de Laughlin Expresar. De manera similar, la construcción de otro conjunto de nuevos estados condensando cuasipartículas del primer conjunto de nuevos estados, y así sucesivamente, produce una jerarquía de estados que cubre todas las fracciones de relleno de denominador impar. Esta idea ha sido validada cuantitativamente, [4] y resalta las fracciones observadas en un orden natural. El modelo de plasma original de Laughlin fue extendido a los estados de jerarquía por MacDonald y otros. [5] Utilizando métodos introducidos por Moore y Read, [6] basados en la teoría de campo conforme se pueden construir funciones de onda explícitas para todos los estados de jerarquía. [7]
- Fermiones compuestos : esta teoría fue propuesta por Jain y ampliada por Halperin , Lee y Read. La idea básica de esta teoría es que, como resultado de las interacciones repulsivas, dos (o, en general, un número par de) vórtices son capturados por cada electrón, formando cuasipartículas con carga entera llamadas fermiones compuestos. Los estados fraccionarios de los electrones se entienden como el entero QHE de fermiones compuestos. Por ejemplo, esto hace que los electrones en factores de llenado 1/3, 2/5, 3/7, etc. se comporten de la misma manera que en el factor de llenado 1, 2, 3, etc. Se han observado fermiones compuestos y la teoría ha ha sido verificado por experimentos y cálculos por computadora. Los fermiones compuestos son válidos incluso más allá del efecto Hall cuántico fraccional; por ejemplo, el factor de llenado 1/2 corresponde a un campo magnético cero para los fermiones compuestos, lo que da como resultado su mar de Fermi.
El FQHE fue descubierto experimentalmente en 1982 por Daniel Tsui y Horst Störmer , en experimentos realizados en heteroestructuras de arseniuro de galio desarrollados por Arthur Gossard . Tsui, Störmer y Laughlin recibieron el Premio Nobel de 1998 por su trabajo.
Las cuasipartículas con carga fraccionada no son bosones ni fermiones y presentan estadísticas anónicas . El efecto Hall cuántico fraccional sigue influyendo en las teorías sobre el orden topológico . Ciertas fases de Hall cuánticas fraccionarias parecen tener las propiedades adecuadas para construir una computadora cuántica topológica .
Evidencia de cuasipartículas con carga fraccionada
Los experimentos han informado resultados que apoyan específicamente la comprensión de que hay cuasipartículas cargadas fraccionadamente en un gas de electrones en condiciones FQHE.
En 1995, la carga fraccional de las cuasipartículas de Laughlin se midió directamente en un electrómetro antídoto cuántico en la Universidad de Stony Brook , Nueva York . [8] En 1997, dos grupos de físicos en el Instituto de Ciencias Weizmann en Rehovot , Israel , y en el laboratorio Commissariat à l'énergie atomique cerca de París , [9] detectaron tales cuasipartículas que transportaban una corriente eléctrica , midiendo el ruido de disparo cuántico. [10] [11] Ambos experimentos se han confirmado con certeza.
Un experimento más reciente, [12] que mide la carga de las cuasipartículas de manera extremadamente directa, parece irreprochable.
Impacto del efecto Hall cuántico fraccional
El efecto FQH muestra los límites de la teoría de ruptura de simetría de Landau . Anteriormente, se creía durante mucho tiempo que la teoría de la ruptura de la simetría podía explicar todos los conceptos importantes y las propiedades esenciales de todas las formas de materia. Según este punto de vista, lo único que se puede hacer es aplicar la teoría de la ruptura de simetría a todos los diferentes tipos de fases y transiciones de fase. [13] Desde esta perspectiva, podemos comprender la importancia del FQHE descubierto por Tsui, Stormer y Gossard.
La existencia de líquidos FQH indica que hay un mundo completamente nuevo más allá del paradigma de la ruptura de la simetría , esperando ser explorado. El efecto FQH abrió un nuevo capítulo 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 Associated carga fraccional , estadísticas fraccionales , no abeliano estadísticas, quirales estados de borde, etc. demostrar el poder y la fascinación de aparición en los sistemas de muchos cuerpos. Por 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 enriquece enormemente nuestra comprensión de las fases cuánticas y las transiciones de fase cuántica . [14] [15]
Ver también
- Sonda de pasillo
- Función de onda de Laughlin
- Fenómenos cuánticos macroscópicos
- Efecto Hall anómalo cuántico
- Efecto Hall cuántico
- Efecto Hall de giro cuántico
- Orden topológico
Notas
- ^ "El Premio Nobel de Física 1998" . www.nobelprize.org . Consultado el 28 de marzo de 2018 .
- ^ Schwarzschild, Bertram (1998). "El premio Nobel de física es para Tsui, Stormer y Laughlin por el efecto Hall cuántico fraccional" . La física hoy . 51 (12): 17-19. Código Bibliográfico : 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 .
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Referencias
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