– Un equipo de investigación conjunto de DGIST y KAIST, en colaboración con investigadores japoneses y alemanes, descubrió un estado Hall cuántico fraccional de 1/3 sin precedentes
– La investigación proporciona pistas clave para el desarrollo de dispositivos electrónicos de próxima generación en computación cuántica
El profesor Youngwook Kim, del Departamento de Física y Química del Instituto de Ciencia y Tecnología Daegu Gyeongbuk (DGIST, presidido por Kunwoo Lee), en colaboración con el profesor Gilyoung Cho, del Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Corea (KAIST), descubrió un estado cuántico en el que los electrones se mueven de una forma completamente nueva bajo una estructura de grafeno retorcida. Se espera que este estado electrónico único contribuya al desarrollo de dispositivos electrónicos más eficientes y rápidos. También puede ser aplicable a tecnologías como la memoria cuántica, que puede procesar cálculos complejos.
La física cuántica es una teoría fundamental que intenta comprender y explicar cómo interactúan y se mueven los átomos y las partículas en la naturaleza. Esta comprensión sirve de base para diseñar nuevas tecnologías que controlen o utilicen la naturaleza a nivel microscópico. La investigación realizada tiene importancia para descubrir el estado cuántico, que es difícil de implementar con las tecnologías de semiconductores convencionales, y para ampliar enormemente las posibilidades futuras de las tecnologías cuánticas.
El grafeno es un material tan fino como una hoja de papel y está formado por átomos de carbono. Este estudio utilizó una estructura única que consta de dos capas de grafeno ligeramente retorcidas, observando un nuevo estado cuántico. En comparación con dos películas transparentes, cada película tiene patrones regulares y, cuando se giran ligeramente, los patrones se superponen para revelar nuevos patrones. El equipo de investigación reveló que estos nuevos patrones crean reglas completamente diferentes para gobernar el movimiento de los electrones, evitando que los electrones pasen de una capa a otra y creando interacciones fuertes (interacciones de Coulomb) entre las capas.
En particular, el equipo de investigación descubrió un nuevo estado electrónico llamado “estado Hall cuántico fraccional 1/3”. Este estado es único porque los electrones se mueven como si estuvieran en tres partes, lo cual es completamente diferente de su movimiento convencional. Este estado surge de fuertes interacciones entre electrones a medida que se empujan y tiran entre sí entre las capas. Se demostró teóricamente mediante una simulación de Monte Carlo [1] , que demostró sus implicaciones físicas.
El profesor Gilyoung Cho del KAIST afirmó: “Nuestro descubrimiento de un estado Hall cuántico fraccionario en nuevos materiales podría contribuir significativamente al desarrollo de tecnologías informáticas cuánticas”.
El profesor Youngwook Kim, de la DGIST, añadió: “Este estudio es el resultado de una estrecha colaboración con el NIMS de Japón y la Sociedad Max Planck para el Avance de la Ciencia de Alemania. En particular, utilizamos el equipo experimental de alto campo magnético de la Sociedad Max Planck para obtener datos clave, y nuestra colaboración internacional abrió nuevas posibilidades. Continuaremos nuestra investigación para implementar condiciones similares en un entorno donde no haya campo magnético”.
Este estudio fue dirigido por Youngwook Kim en DGIST y el estudiante de doctorado Seyoung Jin en POSTECH, y los resultados se han publicado en Nature Communications . Fue financiado por la Fundación Nacional de Investigación de Corea, la Fundación Samsung para el Desarrollo de Tecnologías Futuras y el Instituto de Ciencias Básicas .
[Figura 2] Estado medido y resultados de simulación
(Descripción) (Izquierda) Estados Hall cuánticos medidos y transiciones de fase entre los estados (Derecha) Estado inferior del cálculo de Monte Carlo
[1] Simulación de Monte Carlo: Se refiere a un método computacional para predecir y analizar los resultados mediante la repetición aleatoria de experimentos hipotéticos.
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Más información:Kim, D., Jin, S., Taniguchi, T. et al. Observación de la física cuántica de Hall fraccional 1/3 en grafeno bicapa torcido de ángulo grande equilibrado. Nat Commun 16 , 179 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-024-55486-2
DGIST News. Traducido al español
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