El efecto Hall cuántico inducido por luz en grafeno

En 2008 se predijo la aparición del efecto Hall cuántico al iluminar una hoja de grafeno con luz polarizada circularmente de alta intensidad. Este efecto no lineal requiere pulsos de luz muy cortos que no dañen el material. Se publica en arXiv la primera observación experimental de este fenómeno. En los puntos de Dirac emergen saltos de banda (bandgaps) topológicos de unos 69 meV. Gracias a ellos se observan corrientes Hall ultrarrápidas con conductancia cuantizada en mesetas (plateaus) de unos 60 meV de anchura y un salto de unos 2 e²/h (en rigor se ha medido (1.8 ± 0.4) e²/h). El transporte topológico de carga inducido por luz en el grafeno, que se comporta como un aislante de Chern inducido por luz llamado aislante topológico de Floquet, promete nuevas aplicaciones del grafeno como material topológico.

El artículo es J.W. McIver, B. Schulte, …, A. Cavalleri, «Light-induced anomalous Hall effect in graphene,» arXiv:1811.03522 [cond-mat.mes-hall]; la predicción teórica es de Takashi Oka, Hideo Aoki, «Photovoltaic Hall effect in graphene,» Phys. Rev. B 79: 081406 (2009), doi: 10.1103/PhysRevB.79.081406, arXiv:0807.4767 [cond-mat.mes-hall]. En el último episodio 188 del podcast Coffee Break: Señal y Ruido se habló de las noticias científicas en medios basadas en manuscritos publicados en arXiv, que a veces vuelven a ser noticia tras su publicación en revistas como Nature y Science, en las que hay un periodo de embargo. Quizás me equivoque, pero este artículo tiene pinta de que acabará publicado en Nature.

La luz polarizada circularmente fuerza a los electrones a moverse en trayectorias circulares en la estructura de bandas del grafeno. En los puntos de Dirac del grafeno los portadores de carga siguen una relación de dispersión lineal, es decir, se comportan como fermiones de Dirac sin masa con una relación lineal entre su energía y momento. Cerca de estos puntos de Dirac, la luz induce la apertura de un salto de banda (llamado topológico) y la aparición de una curvatura de la estructura de bandas (llamada curvatura de Berry). Esta estructura de bandas revestida por los fotones (photon-dressed band structure) viene acompañada de un invariante topológico, llamado número de Chern. Así el transporte de carga está protegido topológicamente y aparece la conductancia Hall cuantizada (la novedad respecto a otros materiales es que surge en ausencia de campo magnético externo).

La aparición del efecto Hall cuántico en ausencia de campo magnético externo en un aislante de Chern fue predicha por F. Duncan M. Haldane (Premio Nobel de Física 2016) en su artículo «Model for a Quantum Hall Effect without Landau Levels: Condensed Matter Realization of the «Parity Anomaly»,» Phys. Rev. Lett. 61: 2015-2018 (1988), doi: 10.1103/PhysRevLett.61.2015. Su primera observación en grafeno aplicando un campo eléctrico externo se publicó en Yuanbo Zhang, Yan-Wen Tan, …, Philip Kim, «Experimental observation of the quantum Hall effect and Berry’s phase in graphene,» Nature 438: 201–204 (2005), doi: 10.1038/nature04235. La novedad del nuevo trabajo es que se ha inducido por luz.

La apertura de un salto de banda observable en grafeno inducido por luz requiere usar un láser infrarrojo que genere un intenso campo eléctrico, unos 107–108 V/m. Para evitar que es dañe el material (una monocapa de grafeno de ∼ 30 × 20 μm²) es necesario usar pulsos láser ultrarrápidos. En el nuevo experimento se han usado pulsos láser de ∼ 500 fs (0.5 ps) con una frecuencia de ∼ 46 THz (o una longitud de onda de ∼ 6.5 µm, o una energía por fotón ℏω ∼ 191 meV). La intensidad pico se estima en ∼ 4.3 × 1012 W/m² y el campo eléctrico pico en ∼ 4.0 × 107 V/m (en el vacío para polarización circular). Para la medida de la corriente eléctrica generada en el grafeno (Ix [⟳ – ⟲]), que se ensancha mientras se propaga por una línea de transmisión como ilustra esta figura, se han usado pulsos láser de bombeo a 520 nm y un conmutador fotoconductivo; la resolución temporal lograda es ∼ 1 ps. Por cierto, todo el dispositivo se ha enfriado a 80 K para una medida más precisa.

La señal observada se ajusta muy bien a las predicciones teóricos, lo que confirma su naturaleza. La conductancia Hall cuántica, Gxy = Ig [⟳ – ⟲] / 2Vy, se estima a partir del pulso ancho Ix [⟳ – ⟲] observado. El valor experimental obtenido es Gxy ≈ (1.8 ± 0.4) e²/h, compatible con la predicción teórica de Gxy = 2 e²/h. En resumen, un gran trabajo experimental que nos adentra en un nuevo campo de la física de los materiales, los aislantes topológicos de Floquet.

El manuscrito de este artículo en arXiv aún no ha pasado por revisión por pares. ¿Cambiará mucho el artículo tras la revisión? A mí el artículo me ha convencido, por ello auguro que cambiará poco. Pero no siendo experto en este campo específico, quizás haya detalles que me hayan pasado desapercibidos. Si ha sido enviado a Nature, ¿acabará siendo aceptado? Tampoco puedo asegurarlo, pero creo que sí. Incluso si me equivoco, seguro que acabará siendo publicado en una revista de Springer–Nature (como Nature Nanotechnology o Nature Photonics).

Por cierto, el artículo que menciono en el podcast de Coffee Break sobre las críticas de un periodista científico a la publicación en arXiv de artículos que luego serán embargados tras su aceptación en una revista es Tom Sheldon, «Preprints could promote confusion and distortion. The scientific community must take measures to keep preprints from distorting the public’s understanding of science,» Nature 559: 445 (2018), doi: 10.1038/d41586-018-05789-4.



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Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 12 noviembre, 2018
Categoría(s): ✓ Ciencia • Física • Nanotecnología • Noticias • Physics • Science
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