El Premio Nobel de física en 2016 fue otorgado por la teoría de la materia topológica. Los aislantes topológicos son materiales nuevos con propiedades electrónicas especiales y son de gran interés fundamental y orientado a las aplicaciones. Sin embargo, los físicos han luchado con un niño de diez añosrompecabezas en el que los resultados de los dos mejores métodos para sondear sus estados electrónicos no están de acuerdo Los investigadores de Amsterdam, incluidos dos candidatos a doctorado financiados por el FOM, con colaboradores en Francia, Suiza y Alemania ahora saben exactamente por qué.
Los aislantes topológicos son cosas extrañas. La mayor parte de dicho cristal es aislante y no puede transportar una corriente eléctrica, sin embargo, las superficies de ese mismo cristal son conductoras. Estos nuevos materiales son de gran interés fundamental pero también son muy prometedores para variosaplicaciones futuras en tipos especiales de electrónica y computación cuántica, por lo que son objeto de un importante esfuerzo de investigación física. La importancia de los materiales topológicos se subrayó el año pasado con la concesión del Premio Nobel por el desarrollo de teorías fundamentales que establecenexistencia y comportamiento de la materia topológica.
Hay dos métodos experimentales poderosos para examinar el comportamiento de los electrones, las partículas que transportan corriente eléctrica, en la superficie de un aislante topológico. El primero implica enviar una corriente a través del sistema en presencia de un gran magnetismocampo, y se conoce como magnetotransporte. El segundo implica el uso de un haz de luz ultravioleta para examinar la superficie del cristal. En este caso, la energía de una partícula de luz puede ser absorbida por un electrón y de esta manera aquellos cerca de la superficiepuede escapar del cristal y ser analizado. Los investigadores pueden aprovechar este efecto fotoeléctrico para recopilar información valiosa sobre las propiedades electrónicas en la superficie de un aislante topológico, el lugar donde está toda la acción. Este tipo de experimento se llama fotoemisión.
Desde hace más de 10 años, los investigadores se han quedado desconcertados sobre por qué estos dos experimentos están completamente en desacuerdo cuando se aplican a aislantes topológicos. Ahora, investigadores de Ámsterdam, incluidos dos candidatos a doctorado financiados por el FOM, junto con colaboradores en Francia, Suiza y Alemania descubrieron recientementeun vistazo a los motivos: la hipótesis: el primer destello de luz ultravioleta, requerido para registrar los datos de la fotoemisión, altera la estructura electrónica en la superficie.
La cantidad que describe y explica cómo los electrones en un sólido hacen su trabajo se llama estructura de banda. Puede verse como una especie de red de carreteras, que traza las combinaciones permitidas de energía y longitud de onda que pueden tener las ondas electrónicas enel cristal. Un corte a través de dicha estructura de banda se puede mostrar fácilmente como una imagen 2D como las de las imágenes que se muestran aquí. Este tipo de instantánea contiene información valiosa sobre la estructura electrónica de un aislante topológico, y en particular la ubicación de energía delpunto de cruce de las dos ramas visibles en la estructura de la banda. Esta característica especial, resaltada con un marcador de color en las imágenes, se llama el punto de Dirac, llamado así por el físico teórico Paul Dirac, cuya teoría describió por primera vez electrones como los de la superficiede un aislante topológico.
Normalmente, grabar una imagen de estructura de banda cuesta un minuto o más. Pero aquí los investigadores trabajaron duro para reducir esto a solo un segundo, y la imagen de la izquierda fue el resultado. El punto de Dirac círculo verde aparece enuna energía que coincide con la de los datos de magnetotransporte. Después de solo 20 segundos de exposición a los rayos UV, el marcador rojo en la imagen de la derecha muestra que el punto de Dirac y el resto de la estructura de la banda se ha deslizado hacia abajo en energía, lejos del valorencontrado en los experimentos de transporte.
Ya se sabía que las moléculas que se adhieren a la superficie del aislante topológico pueden causar un desplazamiento hacia abajo del punto de Dirac. Estos nuevos experimentos pudieron desenredar el efecto de las moléculas en la superficie y el de la luz ultravioleta, por lo quelos investigadores pudieron demostrar que, de hecho, el primer destello de luz desempeña el papel de la pistola de arranque y desencadena un rápido deslizamiento hacia abajo del punto de Dirac.
Estos nuevos resultados son muy útiles, ya que la fotoemisión es un experimento muy importante en el campo de los materiales topológicos. ¿Pero significan que la fotoemisión está madura para el contenedor de basura? ¡Al contrario! Ahora que el efecto de la luz UV es adecuadaentendido, se podrían desarrollar protocolos sobre cómo la fotoemisión se puede utilizar de la manera correcta en futuros estudios de aislantes topológicos. Los resultados de la fotoemisión y las pautas para procedimientos experimentales mejorados se publicaron en la revista de física, Revisión física X.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universiteit van Amsterdam UVA . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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