Esta es la historia de un material único - hecho de un solo compuesto, conduce electrones de diferentes maneras en sus diferentes superficies y no conduce en absoluto en su medio. También es la historia de tres grupos de investigación -- dos en el Instituto de Ciencias Weizmann y uno en Alemania, y el vínculo único que se ha formado entre ellos.
El material pertenece a un grupo de materiales descubiertos hace una década y media conocidos como aislantes topológicos. Estos materiales son conductores en sus superficies y aislantes en su "volumen" interior. Pero las dos propiedades son inseparables: cortar el material yla nueva superficie será conductora, la mayor parte permanecerá aislante.
Hace unos cinco años, el Dr. Nurit Avraham, comenzaba como científico del personal en el nuevo grupo del Dr. Haim Beidenkopf del Departamento de Física de Materia Condensada del Instituto. Alrededor de ese tiempo, ella y Beidenkopf conocieron al Prof. Binghai Yan cuando éltuvo su primera visita científica al Instituto Weizmann. En ese entonces, Yan trabajaba como líder de grupo junior en el grupo de la profesora Claudia Felser, una científica de materiales que estaba desarrollando nuevos tipos de materiales topológicos en su laboratorio en el Instituto Max Planck de QuímicaFísica de los sólidos en Dresde. Beidenkopf y su grupo se especializan en clasificar y medir estos materiales en la escala de átomos individuales y las rutas de electrones individuales, mientras Yan recurría a la teoría, prediciendo cómo deberían comportarse estos materiales y elaborando los modelos matemáticos.que explican su comportamiento inusual.
Avraham y Beidenkopf estaban interesados en descubrir las propiedades de un tipo especial de aislantes topológicos en los que la estructura química está organizada en capas. ¿Cómo afectarían las capas la forma en que se conducían los electrones sobre la superficie del material? Teóricamente, apilando capasdel aislador topológico 2D se esperaba que formara un aislante topológico 3D en el que algunas de las superficies son conductoras y otras son aislantes. Yan sugirió que trabajaran con un nuevo material que él había predicho y que luego se desarrolló en el laboratorio de Felser. Pronto, Weizmann y Max Plancklos grupos comenzaron a colaborar
Avraham dirigió el proyecto, obteniendo muestras del material del laboratorio de Felser, realizando las mediciones y trabajando con Yan para ver si las predicciones de las teorías nacerían experimentalmente. A medida que se profundizó la colaboración, Beidenkopf y Avraham obtuvieron la Facultad de Físicainvitar a Yan nuevamente al Instituto, y esta visita finalmente llevó a Yan a decidir abandonar Alemania y trasladar a su familia a Rehovot, para ocupar un puesto en el Departamento de Física de la Materia Condensada del Instituto ". Esa decisión fue un punto de inflexión que me estableceríaen mi carrera actual ", dice Yan.
En los próximos años, Beidenkopf, Avraham, Yan y Felser colaborarían en múltiples proyectos de investigación, explorando las propiedades de varias clases diferentes de materiales topológicos. Pero comprender este material en particular, un compuesto de bismuto, teluro y yodo, seríaresultó ser un proyecto a largo plazo. Para empezar, Yan analizó la estructura de la banda del material en otras palabras, los estados a los que se "permite" que los electrones habitan. Cuando las bandas se cruzan en masa"inversión de banda": evitan que los electrones se muevan dentro, pero les permiten moverse en la superficie. Esta "proyección" de un estado que surge en la mayor parte de un material en la superficie es lo que otorga a los materiales topológicos sus propiedades especiales.
Avraham y Beidenkopf trabajaron con muestras que habían sido cortadas, exponiendo superficies frescas fuera de la estructura en capas. Usaron un microscopio de túnel de exploración - STM - en su laboratorio para rastrear la densidad de electrones en las diferentes partes del material.La teoría predijo que las mediciones de la superficie revelarían un material que se comportaría como un aislante topológico débil, por lo tanto, metálico en los bordes y aislante en las superficies superior e inferior. Los aisladores topológicos débiles eran una clase de materiales topológicos que habían sido predichos pero aún no probados.experimentalmente, por lo que el grupo esperaba descubrir tales propiedades características en las superficies de los bordes. Los investigadores, de hecho, descubrieron que el material actuaba como un aislante topológico débil en sus lados hendidos. Pero en las partes superior e inferior de sus muestras, elel grupo encontró evidencia que indica un aislante topológico fuerte, en lugar del aislante que se había predicho.
¿Podría este material ser no solo aislante y conductor al mismo tiempo, sino conducirlo de dos maneras diferentes? A medida que los investigadores continuaron experimentando, probando el material con diferentes métodos y confirmando sus resultados originales, junto con Yan continuaron desconcertandosobre los resultados extraños. En un momento, dice Avraham, incluso midieron un nuevo lote de muestras que fueron cultivadas independientemente por la profesora junior Anna Isaeva y el Dr. Alexander Zeugner en la Technische Universitaet Dresden, solo para asegurarse de que los resultados sean generales yno es una propiedad accidental de un lote particular de muestras.
Parte de su avance final dice Yan, proviene de un trabajo de investigación teórica publicado por otro grupo de física que conjeturaba cómo podría funcionar un material tan dual. Los materiales topológicos a veces se clasifican de acuerdo con su simetría, una propiedad de la estructura atómica delLos científicos buscaron lugares en las superficies donde se rompería cualquier simetría, debido a fallas o irregularidades en la superficie que, al dispersar los electrones, afectarían las propiedades en ese lugar y resaltarían el tipo de simetría que "protege" cada material.estado topológico.
Finalmente, la teoría y el experimento se unieron para mostrar, en un artículo publicado en Materiales de la naturaleza , que el material es, de hecho, dos tipos diferentes de aislante topológico en uno. Las capas expuestas de la hendidura, las superficies laterales crean "bordes escalonados" que canalizan los electrones hacia ciertos caminos. Mientras que los lados están protegidos por ambos tiempossimetría de inversión y traslación, las partes superior e inferior están protegidas por simetría de espejo cristalino, dando lugar a un estado similar al metal en el que los electrones pueden moverse.
Si bien esta combinación dos en uno dificultó la clasificación del material topológicamente, uno de los principales objetivos de tales mediciones, los investigadores creen que otros nuevos materiales topológicos podrían tener propiedades duales.posibilidad de materiales de ingeniería para tener varias propiedades eléctricas deseadas, todo en uno.
"Técnicamente, el trabajo fue desafiante, pero la historia en sí misma resultó ser simple", dice Yan.
"También es la historia de una gran amistad y lo que sucede cuando puedes tener una colaboración científica tan estrecha", dice Avraham.
"Y todo comenzó con una pregunta sobre un tipo particular de material", agrega Beidenkopf.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto Max Planck de Física Química de Sólidos . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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