Tres voces que se funden en un solo acorde. En la física de materiales cuánticos, esta imagen cobra un sentido literal: tres capas de grafeno, separadas por finos espaciadores, hacen que electrones y huecos de distintas capas se muevan como un único líquido. El condensado excitónico, un estado en el que los pares electrón-hueco fluyen sin resistencia, solo se había observado antes en sistemas de dos capas. Ahora, físicos chinos han demostrado que la coherencia puede unir tres capas electrónicas independientes a la vez.
El sándwich de tres monocapas de grafeno se montó con espaciadores de nitruro de boro hexagonal de 1.3 y 2 nanómetros de grosor. Encima se colocó una monocapa de disulfuro de tungsteno (WSe2), cuyos excitones de Rydberg, estados excitados de tipo hidrógeno con gran radio, actúan como una sonda óptica ultrasensible. Estos excitones detectan la carga en las capas vecinas mediante la interacción de Coulomb, y su respuesta decae con la distancia, lo que permite distinguir las contribuciones de cada capa. A una temperatura de 1.8 K y un campo magnético de 9 T, se midió el contraste de reflexión mientras se variaban el llenado y el campo de desplazamiento.
Al ajustar el desplazamiento y el campo de sustitución, los tres canales de pares convergen en un punto común donde los niveles de todas las capas están casi degenerados. Allí, la incompresibilidad se mantiene, y la energía y el peso espectral del excitón 2s toman valores intermedios entre los límites de los pares. Esto apunta a un estado único de tres componentes, no a una mezcla de pares independientes. Antes no estaba claro si era posible realizar un estado coherente que uniera tres capas electrónicas independientes ni cómo detectarlo. Ahora se obtienen por primera vez evidencias ópticas de tal condensado.
Las tres capas de grafeno forman un único líquido cuántico con dos fases, de manera similar a como tres voces en un acorde conservan su individualidad pero suenan juntas. La arquitectura puede ampliarse a más capas, creando una dimensión sintética programable con energías y acoplamientos ajustables. Esto permitiría modelar modelos de red fuertemente correlacionados y buscar fases exóticas, como la superfluidez anyónica o estados fraccionarios con carga irracional. La sonda óptica basada en excitones podría adaptarse para visualizar diagramas de fase en tiempo real.
Los excitones de Rydberg en WSe2 son tan sensibles que distinguen capas de grafeno separadas por solo 1.3 nanómetros: esto es decenas de miles de veces más delgado que un cabello humano. Con un campo magnético de 9 T, la longitud magnética (el tamaño característico de la órbita del electrón) es de unos 8.5 nm, comparable a la distancia entre capas.
La idea de un estado coherente de tres componentes recuerda a la 'tricordia' de la serie 'Star Trek': un ser con tres personalidades independientes que actúan como una sola. En física, tres capas de grafeno forman un único líquido cuántico con dos fases, similar a cómo la tricordia une tres mentes.