Het fractionele kwantum Hall-effect (FQH) is een exotisch kwantumfenomeen dat optreedt wanneer een tweedimensionaal elektronensysteem wordt blootgesteld aan een sterk magnetisch veld bij zeer lage temperaturen. Door dit effect gaan de elektronen zich gedragen alsof ze een fractie van de lading van een elektron hebben, wat aanleiding geeft tot opmerkelijke natuurkunde. Hoewel randen traditioneel als cruciaal worden beschouwd voor het realiseren van het FQH-effect, vanwege hun rol bij het opsluiten van de elektronen, hebben recente theoretische voorstellen de mogelijkheid gesuggereerd om het FQH-effect zelfs in randvrije systemen te realiseren. Eén zo'n theoretische mogelijkheid is de vorming van FQH-druppeltjes in de bulk zonder randen, wat leidt tot een fase die bekend staat als de "zwevende FQH-fase".

Hier voerde het team, onder leiding van professor Kenji Watanabe, professor Takashi Taniguchi en universitair hoofddocent Makoto Koshino, transportexperimenten bij lage temperatuur uit op een nieuwe klasse tweedimensionale materialen, bekend als gedraaid dubbellaags grafeen. Door de elektronische eigenschappen van deze materialen onder hoge magnetische velden te bestuderen, heeft het team een ​​belangrijke doorbraak bereikt. Ze ontdekten een opmerkelijke isolatiefase, die een onverwachte gekwantiseerde Hall-geleiding vertoont, kenmerkend voor het FQH-effect, maar zonder de aanwezigheid van waarneembare randen.

Het team sloot ook alternatieve verklaringen uit voor de waargenomen gekwantiseerde Hall-geleidingsvermogen, inclusief die waarbij topologische isolatoren betrokken zijn. Hun resultaten ondersteunen sterk de theoretische voorspellingen van de zwevende FQH-fase, en bevestigen dat randen inderdaad niet nodig zijn om het FQH-effect te realiseren.

Naast de fundamentele betekenis ervan heeft de ontdekking ook potentiële implicaties voor de ontwikkeling van nieuwe elektronische apparaten. Randvrije FQH-fasen bieden een nieuw platform voor het onderzoeken van exotische fractionele kwantumexcitaties, en kunnen mogelijk leiden tot de ontwikkeling van nieuwe soorten elektronische apparaten, zoals veldeffecttransistors en kwantum Hall-balkstructuren, zonder afhankelijk te zijn van randen.

Het onderzoek levert overtuigend bewijs voor het randvrije FQH-effect, waardoor nieuwe wegen worden geopend voor het onderzoeken van fundamentele kwantumfenomenen en het bevorderen van ons begrip van de fysica van de gecondenseerde materie.

De studie werd gepubliceerd in het prestigieuze tijdschrift Nature.