La tecnología contemporánea controla cómo interactúan los electrones aplicando fuertes campos magnéticos y, más recientemente, apilando capas de grafeno. El descubrimiento del grafeno, que dio lugar al Premio Nobel de Física de 2010, abrió nuevas áreas para la exploración de la física electrónica, especialmente el estudio del comportamiento colectivo de los electrones.
Ahora, investigadores de Princeton han descubierto que las fuertes interacciones entre los electrones del grafeno los impulsan a formar una superposición de estructuras cristalinas en patrones complejos determinados por efectos cuánticos, con electrones presentes en múltiples sitios atómicos simultáneamente. El experimento, publicado recientemente en la revista Science, también muestra que el nuevo cristal cuántico sufre extrañas deformaciones en respuesta a la función de onda del electrón.
Investigaciones anteriores han demostrado que el grafeno exhibe propiedades eléctricas novedosas, pero ningún estudio ha sido capaz de analizar tan profundamente la naturaleza de los estados cuánticos con una resolución espacial tan alta.
Para lograr este nivel de resolución incomparable, los investigadores utilizaron un microscopio de efecto túnel basado en el efecto de "túnel cuántico", que funciona bajo un vacío extremadamente alto para mantener limpia la superficie de la muestra a temperaturas extremadamente bajas. mediciones de resolución a temperaturas sin interferencia del flujo de calor.
Los microscopios también pueden observar electrones cuando alcanzan el estado de energía más bajo regido por sus propiedades cuánticas. En presencia de un campo magnético, se puede utilizar la microscopía para determinar la estructura espacial de los niveles de energía cuantificados. La cuantificación de la energía es un valor de energía discreto sin valores intermedios, lo cual es una característica de la teoría de la física cuántica. Al contrario de la física clásica, que permite valores de energía continuos.
Los investigadores se centraron en el nivel de energía cuantificado más bajo del grafeno y utilizaron un microscopio para dibujar un diagrama de función de onda del nivel de energía cuantificado más bajo en presencia de un campo magnético. Cuando el grafeno pasó a un estado neutral mediante un interruptor cercano, los investigadores descubrieron patrones complejos de ondas de electrones.
En los metales, la función de onda del electrón se distribuye por todo el cristal, mientras que en los aislantes ordinarios, los electrones están congelados y no tienen ninguna preferencia particular por la estructura cristalina de los átomos. En campos muy bajos, las imágenes de microscopía de efecto túnel muestran que la función de onda de electrones del grafeno selecciona una ubicación de la subred sobre otra. Además, al aumentar el campo magnético se observaron patrones de enlace significativos, que corresponden a la existencia de funciones de onda de electrones en superposición cuántica, es decir, que un electrón ocupa dos posiciones desiguales al mismo tiempo.
El equipo de investigación, en colaboración con la Universidad de California, Berkeley, desarrolló un método para extraer características matemáticas de la función de onda cuántica del electrón a partir de datos de microscopio de efecto túnel: el llamado ángulo de fase que describe su superposición cuántica. . El análisis reveló una envoltura significativa de uno de estos ángulos de fase alrededor del defecto y cambios asociados en el otro ángulo de fase.