Los aislantes topológicos parecían bastante bien entendidos desde la teoría hasta ahora. Los electrones que solo pueden ocupar estados cuánticos "permitidos" en la red cristalina son libres de moverse solo en dos dimensiones, es decir, a lo largo de la superficie, comportándose como partículas sin masa.Por lo tanto, los aislantes topológicos son altamente conductores en sus superficies y aislantes eléctricos. Solo los campos magnéticos deberían destruir esta movilidad, según la teoría. Ahora los físicos encabezados por Oliver Rader y Jaime Sánchez-Barriga de HZB junto con equipos de otros departamentos de HZB, grupos de Austria, la República Checa, Rusia y los teóricos en Munich han refutado esta hipótesis.
Investigaron muestras para este propósito hechas de seleniuro de bismuto, un aislante topológico clásico, construido a partir de enormes cantidades de capas extremadamente delgadas, como hojaldre. Estas muestras fueron dopadas con el elemento magnético manganeso Mn, formando Bi1_xMnx 2Se3 con varias concentraciones de Mn. Teóricamente, lo que se conoce como un intervalo de banda debería haberse abierto entre los estados de electrones permitidos como resultado del dopaje con impurezas magnéticas para que la superficie previamente conductora se vuelva aislante. Como resultado de la aparición dela brecha de banda, los electrones también recuperan parte de su masa. El magnetismo de las impurezas debería ser la influencia crítica en este proceso.
Teoría refutada: el magnetismo no influye en la movilidad de los electrones
Los físicos pudieron detectar realmente la formación de un intervalo de banda en las muestras dopadas. La masa de los electrones subió de cero a un sexto de la masa de electrones libres. Sin embargo, mostraron que este intervalo de banda no es elresultado del ordenamiento ferromagnético en el interior o en la superficie del material, ni de los momentos magnéticos locales del manganeso. El espacio entre bandas se formó independientemente de la fuerza de la magnetización e incluso cuando la muestra estaba impregnada de impurezas no magnéticas.
"Incluso medimos espacios de banda de superficie que son diez veces más grandes que los espacios de banda magnética teóricamente predichos, y en realidad independientes de si habíamos incorporado impurezas magnéticas o no magnéticas", dice Jaime Sánchez-Barriga.
En cambio, sugieren un proceso completamente diferente en estas muestras que causa la brecha de banda en el punto de Dirac: con la ayuda de lo que se conoce como espectroscopía de fotoemisión resonante, pudieron observar procesos de dispersión que podrían ser responsables de abrir una bandaLas propiedades fundamentales de los aislantes topológicos no ofrecen muchas posibilidades para este tipo de procesos de dispersión. Los investigadores piensan que es concebible que la presencia de impurezas permita a los electrones salir de la superficie y desaparecer en la masa.
"Siempre es más interesante para los experimentadores como nosotros, por supuesto, cuando el experimento no confirma la expectativa teórica. Esta brecha de banda es considerablemente mayor de lo predicho por la teoría y además implica un mecanismo causal diferente. Para asegurarse de queno estamos equivocados, utilizamos todo el arsenal en BESSY II, como la microscopía de fotoelectrones y los campos magnéticos de hasta siete teslas. Esto nos permitió evitar realmente que el magnetismo se produzca como una posible causa hasta aproximadamente la escala nanométrica ", explica Oliver Rader.
De este trabajo ya se pueden sacar dos conclusiones: por un lado, que los estados protegidos topológicamente aún están lejos de ser completamente entendidos. Por otro lado, significa que los problemas previamente pasados por alto ahora están en el centro de atención. ¿Cómo se pueden minimizar los procesos de dispersión?¿Por la elección de las impurezas magnéticas? ¿Y cuál es el papel de la ubicación reticular de las impurezas en el host? Dado que los aislantes topológicos son candidatos prometedores para las nuevas tecnologías de la información, esas preguntas deben explorarse en profundidad.
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Materiales proporcionado por Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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