Un equipo de investigadores de la Universidad de Princeton ha predicho la existencia de un nuevo estado de la materia en el que la corriente fluye solo a través de un conjunto de canales de superficie que se asemejan a un reloj de arena. Estos canales se crean a través de la acción de una partícula recién teorizada, denominada"fermión de reloj de arena", que surge debido a una propiedad especial del material. El ajuste de esta propiedad puede crear y destruir secuencialmente los fermiones de reloj de arena, lo que sugiere una gama de aplicaciones potenciales, como la conmutación eficiente de transistores.
en un artículo publicado en la revista Naturaleza esta semana, los investigadores teorizan la existencia de estos fermiones de reloj de arena en cristales hechos de potasio y mercurio combinados con antimonio, arsénico o bismuto. Los cristales son aislantes en sus interiores y en sus superficies superior e inferior, pero conductores perfectos en dosde sus lados donde los fermiones crean canales en forma de reloj de arena que permiten que los electrones fluyan.
La investigación fue realizada por el investigador postdoctoral de la Universidad de Princeton Zhijun Wang y el ex estudiante de posgrado Aris Alexandradinata, ahora investigador postdoctoral en la Universidad de Yale, trabajando con Robert Cava, el Profesor de Química Russell Wellman Moore de Princeton y el Profesor Asociado de Física B. Andrei Bernevig.
El nuevo fermión de reloj de arena existe, teóricamente por ahora, hasta que se detecte experimentalmente en una familia de materiales ampliamente conocidos como aislantes topológicos, que se observaron por primera vez experimentalmente a mediados de la década de 2000 y desde entonces se han convertido en una de las ramas más activas e interesantes.de la investigación de la física cuántica. La mayor parte, o interior, actúa como un aislante, lo que significa que prohíbe el viaje de electrones, pero la superficie del material es conductora, permitiendo que los electrones viajen a través de un conjunto de canales creados por partículas conocidas como fermiones de Dirac.
Los fermiones son una familia de partículas subatómicas que incluyen electrones, protones y neutrones, pero también aparecen en la naturaleza en muchas formas menos conocidas como los fermiones sin masa Dirac, Majorana y Weyl. Después de años de buscar estas partículas en alta energíaAceleradores y otros experimentos a gran escala, los investigadores descubrieron que pueden detectar estos esquivos fermiones en experimentos de laboratorio de mesa sobre cristales. En los últimos años, los investigadores han utilizado estos sistemas de "materia condensada" para predecir primero y luego confirmar la existencia deFermiones Majorana y Weyl en una amplia gama de materiales.
La próxima frontera en la física de la materia condensada es el descubrimiento de partículas que pueden existir en el llamado "universo material" dentro de los cristales pero no en el universo en general. Estas partículas se producen debido a las propiedades de los materiales pero no pueden existirfuera del cristal como lo hacen otras partículas subatómicas. La clasificación y el descubrimiento de todas las partículas posibles que pueden existir en el universo material apenas está comenzando. El trabajo reportado por el equipo de Princeton sienta las bases de uno de los sistemas más interesantes, segúnlos investigadores.
En el estudio actual, los investigadores teorizan que las leyes de la física prohíben que la corriente fluya en el grueso del cristal y en las superficies superior e inferior del cristal, pero permiten el flujo de electrones en formas completamente diferentes en las superficies laterales a través de los canales en forma de reloj de arena. Este tipode canal, conocido más precisamente como dispersión, era completamente desconocido antes.
Luego, los investigadores preguntaron si esta dispersión es una característica genérica encontrada en ciertos materiales o simplemente una casualidad que surge de un modelo de cristal específico.
Resultó no ser casualidad.
Una colaboración de larga data con Cava, un experto en ciencia de materiales, permitió a Bernevig, Wang y Alexandradinata descubrir más materiales que exhiben este comportamiento notable.
"Nuestro fermión de reloj de arena es curiosamente móvil pero inamovible", dijo Bernevig. "Es imposible eliminar el canal del reloj de arena de la superficie del cristal".
Bernevig explicó que esta sólida propiedad surge del entrelazado de las simetrías espaciales, que son características de la estructura cristalina, con la teoría moderna de la banda de los cristales. Las simetrías espaciales en los cristales se distinguen por si un cristal puede rotarse o moverse de otro modo sin alterarlo.su caracter basico.
en un artículo publicado en Revisión física X esta semana para coincidir con el Naturaleza artículo, el equipo detalló la teoría detrás de cómo la estructura cristalina conduce a la existencia del fermión de reloj de arena.
"Nuestro trabajo demuestra cómo esta propiedad geométrica básica da lugar a una nueva topología en aisladores de banda", dijo Alexandradinata. El reloj de arena es una consecuencia robusta de las simetrías espaciales que traducen el origen en una fracción del período reticular, explicó ".Las bandas de superficie conectan un reloj de arena con el siguiente en un patrón de zigzag irrompible ", dijo.
El equipo encontró conexiones esotéricas entre su sistema y las matemáticas de alto nivel. Las simetrías que traducen el origen, también llamadas simetrías no simormórficas, se describen mediante un campo de las matemáticas llamado cohomología, que clasifica todas las simetrías cristalinas posibles en la naturaleza. Por ejemplo, la cohomología da la respuesta a cuántos tipos de cristales existen en tres dimensiones espaciales: 230.
"La teoría del reloj de arena es la primera de su clase que describe los cristales simétricos de inversión de tiempo y, además, los cristales en nuestro estudio son la primera clase de material topológico que se basa en simetrías de traducción de origen", agregó Wang.
En la perspectiva cohomológica, hay 230 formas de combinar simetrías de preservación del origen con traducciones del espacio real, conocidas como "grupos espaciales". El marco teórico para comprender los cristales en el estudio actual requiere una descripción cohomológica con el momento-espaciotraducciones.
De los 230 grupos espaciales en los que los materiales pueden existir en la naturaleza, 157 son no simbórficos, lo que significa que pueden albergar un comportamiento electrónico interesante, como el fermión de reloj de arena.
"La exploración del comportamiento de estos fermiones interesantes, su descripción matemática y los materiales donde se pueden observar, está preparada para crear una avalancha de actividad en física cuántica, de estado sólido y material", dijo Cava. "Estamossolo al principio "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionados por Universidad de Princeton . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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