La simulació quàntica mostra el límit de la mobilitat en un paisatge desordenat de baixa dimensió

Una recent investigació sobre transport electrònic en materials de baixa dimensió (2D o 1D), com el grafè o els nanotubs de carboni, reflecteix el gran potencial d'aquests materials per revelar una comprensió més profunda de les lleis que governen el comportament emergent, a vegades sorprenent, dels electrons. Els científics han investigat materials nous com aquests, per descobrir la física de la superconductivitat topològica i els aïllants topològics. Però un dels majors reptes als quals s'enfronten els investigadors en l'estudi de materials reals és la presència d'impureses no controlades que influeixen en el transport electrònic.

Una manera d'evitar aquest problema, és estudiar els mateixos tipus de fenòmens físics en materials artificials que no tenen imperfeccions naturals. En les últimes dècades, els investigadors han utilitzat àtoms neutres que es mouen en cristalls prístins formats per llum làser per fer simulacions quàntiques per observar efectes físics que serien difícils de veure en materials electrònics reals.
Ara, els científics de la Universitat d'Illinois a Urbana-Champaign, que utilitzen una innovadora tècnica de simulació quàntica, han fet una de les primeres observacions d'un límit de mobilitat en un sistema de baixa dimensió. El professor de física, Bryce Gadway i l'estudiant de postgrau Fangzhao Alex An, van poder combinar un material virtual desordenat, en aquest cas un parell de cadenes 1D acoblades amb camps magnètics artificials per explorar aquest fenomen.
El camp magnètic artificial que s'ha dissenyat, fa que els àtoms neutres de l'experiment es comportin com electrons en camps magnètics extremadament grans, equivalents a aplicar centenars d'imants a nivell de Tesla. Es va poder variar la força del camp magnètic artificial sintonitzant les propietats dels àtoms i modificant fortament el límit de la mobilitat observada.

Llavors, què és exactament un límit de mobilitat? Es tracta d'una transició aïllant-a-conductor que depèn de l'energia que es produeix en sistemes desordenats: un règim de transport metàl·lic que sorgeix d'un aïllant especial, anomenat aïllant d'Anderson. Només dos grups han observat un avantatge de mobilitat en les 3-D. Aquest fenomen és induït per un desordre i, d'acord amb les lleis de la física de localització, un límit de mobilitat, i molt menys qualsevol tipus de comportament metàl·lic, no s'hauria de produir en materials 2D o 1D.
Aquesta observació és veritablement ressenyable: aquest tipus de comportament no s'hauria de produir en sistemes de dimensió inferior amb trastorn aleatori. Hi ha una subtilesa per adonar-se en una o dues dimensions que es basa en una mena de trastorn pseudoaleatori. Les correlacions en el trastorn dissenyat, poden permetre la transició d'un aïllant metàl·lic.

El tipus de trastorn correlacionat utilitzat té algunes propietats molt divertides. En particular, hi ha un subtil argument matemàtic que mostra que la transició d'aïllant-metàl·lic que permet és totalment independent de l'energia. Per permetre que sorgeixi un límit de mobilitat, l'ingredient addicional va ser gràcies a la creació de grans camps magnètics.
En aquesta investigació, els científics també van mostrar evidències d'un tipus d'avantguarda encara més intrigant que es va produir en absència dels camps magnètics artificials. Aquest segon tipus de límit de mobilitat es va produir a causa de les interaccions atòmic-àtom, el que va fer que els estats d'energia més alta es comportessin més fortament com un metall i els estats d'energia més baixa per comportar-se amb més força, com un aïllant.

Font: Universitat d'Illinois a Urbana-Champaign