Un equipo internacional de investigadores ha creado una nueva estructura que permite ajustar las propiedades topológicas de tal manera que active o desactive estos comportamientos únicos. La estructura podría abrir posibilidades para nuevas exploraciones en las propiedades de los estados topológicos de la materia.
"Esta es una nueva dirección emocionante en la investigación de la materia topológica", dijo M. Zahid Hasan, profesor de física en la Universidad de Princeton e investigador en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley en California que dirigió el estudio, que se publicó el 24 de marzo en la revista Avances científicos . "Estamos diseñando nuevos estados topológicos que no ocurren naturalmente, abriendo numerosas posibilidades exóticas para controlar los comportamientos de estos materiales".
La nueva estructura consiste en capas alternas de aislantes topológicos y normales, o triviales, una arquitectura que permite a los investigadores activar o desactivar el flujo de corriente a través de la estructura. La capacidad de controlar la corriente sugiere posibilidades para circuitos basados encomportamientos topológicos, pero quizás lo más importante es que presenta una nueva estructura de celosía de cristal artificial para estudiar los comportamientos cuánticos.
Las teorías detrás de las propiedades topológicas de la materia fueron el tema del Premio Nobel de física 2016 otorgado a F. Duncan Haldane de la Universidad de Princeton y otros dos científicos. Una clase de materia son los aislantes topológicos, que son aislantes en el interior pero permiten que la corriente entrefluir sin resistencia en las superficies.
En la nueva estructura, las interfaces entre las capas crean un entramado unidimensional en el que pueden existir estados topológicos. La naturaleza unidimensional del entramado se puede considerar como si se cortara el material y se eliminara una capa muy delgadacorte y luego mire el borde delgado del corte. Esta red unidimensional se asemeja a una cadena de átomos artificiales. Este comportamiento es emergente porque surge solo cuando muchas capas se apilan juntas.
Al cambiar la composición de las capas, los investigadores pueden controlar el salto de partículas similares a electrones, llamadas fermiones de Dirac, a través del material. Por ejemplo, al hacer que la capa de aislante trivial sea relativamente gruesa, todavía solo unos cuatro nanómetros,- los fermiones de Dirac no pueden viajar a través de él, haciendo que toda la estructura sea efectivamente un aislante trivial. Sin embargo, si la capa de aislante trivial es delgada, aproximadamente un nanómetro, los fermiones de Dirac pueden hacer un túnel de una capa topológica a la siguiente.
Para crear los dos materiales, el equipo de Princeton trabajó con investigadores de la Universidad de Rutgers dirigidos por Seongshik Oh, profesor asociado de física, que en colaboración con Hasan y otros mostraron en 2012 en un trabajo publicado en Physical Review Letters que agregar el indio a un topológicoel aislante, seleniuro de bismuto, hizo que se convirtiera en un aislante trivial. Antes de eso, el seleniuro de bismuto Bi2Se3 fue identificado teórica y experimentalmente como un aislante topológico por el equipo de Hasan que se publicó en Nature en 2009.
"Hemos demostrado que, dependiendo de la cantidad de indio que agregue, el material resultante tenía esta agradable propiedad ajustable desde el aislante trivial hasta el topológico", dijo Oh, refiriéndose al estudio de 2012.
Los estudiantes graduados Ilya Belopolski de Princeton y Nikesh Koirala de Rutgers combinaron dos técnicas de vanguardia con el desarrollo de nuevos instrumentos y trabajaron juntos en capas de estos dos materiales, seleniuro de bismuto y seleniuro de bismuto indio, para diseñar la estructura óptima. UnoUno de los desafíos fue lograr que las estructuras de celosía de los dos materiales coincidieran para que los fermiones de Dirac puedan saltar de una capa a otra. Belopolski y Suyang Xu trabajaron con colegas de la Universidad de Princeton, el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley y múltiples instituciones para usarespectroscopía de fotoemisión con resolución de ángulo de resolución para optimizar el comportamiento de los fermiones de Dirac en función de un ciclo de retroalimentación de crecimiento a medición.
Aunque no existen estados topológicamente similares de forma natural, los investigadores señalan que se puede encontrar un comportamiento análogo en una cadena de poliacetileno, que es un modelo conocido de comportamiento topológico unidimensional según lo descrito por el modelo teórico de Su-Schrieffer-Heeger de 1979polímero orgánico.
La investigación presenta una incursión en la fabricación de materiales topológicos artificiales, dijo Hasan. "En la naturaleza, sea lo que sea un material, aislante topológico o no, estás atrapado con eso", dijo Hasan. "Aquí estamos ajustando el sistema de una maneraque podemos decidir en qué fase debería existir; podemos diseñar el comportamiento topológico "
La capacidad de controlar el viaje de los fermiones Dirac similares a la luz podría eventualmente llevar a los futuros investigadores a aprovechar el flujo de corriente sin resistencia que se ve en los materiales topológicos ". Estos tipos de heteroestructuras sintonizables topológicamente son un paso hacia las aplicaciones, haciendo dispositivos donde la topologíalos efectos pueden ser utilizados ", dijo Hasan.
El grupo Hasan planea explorar más formas de ajustar el grosor y explorar los estados topológicos en relación con el efecto Hall cuántico, la superconductividad, el magnetismo y los estados de la materia de fermiones de Majorana y Weyl.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionados por Universidad de Princeton . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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