Un equipo internacional de científicos ha descubierto una nueva forma exótica de material aislante con una superficie metálica que podría permitir una electrónica más eficiente o incluso una computación cuántica. Los investigadores desarrollaron un nuevo método para analizar compuestos químicos existentes que se basa en las propiedades matemáticas comosimetría que rige los patrones repetitivos que se ven en el fondo de pantalla cotidiano.
"La belleza de la topología es que se pueden aplicar principios de simetría para encontrar y clasificar materiales", dijo B. Andrei Bernevig, profesor de física en Princeton.
La investigación, que aparece el 20 de julio en la revista ciencia , involucró una colaboración entre grupos de la Universidad de Princeton, la Universidad de Pennsylvania Penn, la Universidad de Sungkyunkwan, la Universidad Freie de Berlín y el Instituto Max Planck de Física de Microestructura.
El descubrimiento de esta forma de plomo-estroncio Sr2Pb3 completa una búsqueda de una década de un material tridimensional evasivo que combina las propiedades electrónicas únicas del grafeno bidimensional y los aislantes topológicos tridimensionales, una fase de la materia descubiertaen 2005 en obras independientes de Charles Kane en Penn y Bernevig en Princeton.
Algunos científicos han teorizado que los aislantes topológicos, que aíslan en su interior pero conducen electricidad en su superficie, podrían servir como base para la computación cuántica súper rápida.
"Puedes pensar en un aislante topológico como un beso de Hershey", dijo Kane, un autor correspondiente en el papel. "El chocolate es el aislante y el papel de aluminio es un conductor. Hemos estado tratando de identificar nuevas clases de materiales".en el que las simetrías de cristal protegen la superficie conductora. Lo que hemos hecho aquí es identificar el tipo más simple de aislante cristalino topológico ".
El nuevo trabajo demuestra cómo las simetrías de ciertas superficies bidimensionales, conocidas como los 17 grupos de papel tapiz por su diseño de papel tapiz, limitan la disposición espacial topología de los aisladores tridimensionales.
En un aislante topológico tridimensional convencional, cada superficie bidimensional exhibe un único grupo característico de estados con dispersión en forma de cono. Estos conos se asemejan a los elementos en el grafeno llamados conos de Dirac, características que impregnan el material y otras dos dimensionesLos semimetales de Dirac con sus inusuales cualidades de transporte electrónico, pero son distintos porque el grafeno posee un total de cuatro conos de Dirac en dos pares que están "pegados".
Kane sospechaba que con simetrías de cristal, podría existir un segundo tipo de aislante topológico con un solo par de conos de Dirac pegados. "Lo que me di cuenta fue que un solo par de conos de Dirac es imposible en un material puramente bidimensional, peropodría ser posible en la superficie de un nuevo tipo de aislante topológico. Pero cuando traté de construir tal estado, los dos conos siempre se despegaron ".
Una solución surgió cuando Benjamin Wieder, entonces estudiante graduado en el grupo de Kane y ahora asociado posdoctoral de Princeton, visitó Princeton. En Princeton, Bernevig y su colega Zhi Jun Wang acababan de descubrir "aisladores de reloj de arena" - aislantes topológicos con patrones extraños deestados de reloj de arena entrelazados, que Wieder reconoció como actuando como si hubieras envuelto un cristal tridimensional con un tipo especial de papel tapiz estampado.
"Nos dimos cuenta de que se podía obtener no solo el aislante de reloj de arena, sino también este aislante especial de Dirac, al encontrar un cristal que parecía estar cubierto en el fondo de pantalla correcto", dijo Wieder.
En particular, reconocieron que un par pegado de conos de Dirac podría estabilizarse en superficies de cristal que tienen dos líneas de intersección a lo largo de las cuales las superficies se ven idénticas después de voltearse y girar perpendicularmente. Estas líneas, conocidas como reflejos de deslizamiento, caracterizan elllamaron grupos de fondos de escritorio no simbórficos y, por lo tanto, proporcionan el mismo nombre de esta nueva fase, que el equipo denominó un "aislante de Dirac no simmórfico".
Los investigadores se pusieron rápidamente a trabajar aplicando rigor matemático a la inspiración de Wieder, lo que resultó en una nueva metodología basada en la simetría de papel tapiz para diagnosticar la topología masiva de cristales tridimensionales.
"Los principios básicos son tan simples que los dibujamos en servilletas esa misma noche", dijo el coautor Barry Bradlyn, investigador asociado en el Centro Princeton de Ciencia Teórica PCTS.
"Sin embargo, son lo suficientemente robustos como para predecir y comprender un zoológico de nuevas fases topológicas en materiales reales", dijo Wang, investigador asociado postdoctoral en física.
El descubrimiento permitió a los científicos relacionar directamente la simetría de una superficie con la presencia de estados superficiales topológicos deseados por primera vez, dijo Andrew Rappe de Penn, otro coautor del artículo. "Esto permite un medio elegante e inmediatamente útilde diseñar estados deseables de superficie e interfaz "
Para identificar la fase de aislamiento de Dirac en la naturaleza, los investigadores calcularon las estructuras electrónicas de cientos de compuestos previamente sintetizados con superficies con dos líneas de deslizamiento grupos de papel tapiz pgg y p4g antes de identificar la nueva topología en plomo-estroncio.
Los químicos computacionales "sabían que estaban buscando una aguja en un pajar, pero nadie se molestó en decirles cuán pequeña podría ser la aguja", dijo Jennifer Cano, investigadora asociada de PCTS.
A medida que se descubren aislantes topológicos aún más exóticos, el papel de la simetría del grupo de papel tapiz y de los conos especiales similares al grafeno en el aislante Dirac se ha solidificado aún más.
"Cuando puede dividir un cono de Dirac de superficie verdadera mientras mantiene la simetría de inversión de tiempo, sucede algo realmente especial", dijo Bernevig. "Se obtienen aislantes tridimensionales cuyas superficies bidimensionales también son una especie de aislante topológico".Recientemente, varios miembros de la colaboración han predicho fases en cristales de bismuto y ditellurida de molibdeno MoTe2.
Además, con el uso de una nueva teoría, la química cuántica topológica, los investigadores esperan encontrar muchas más de estas fases exóticas.
"Si pudiéramos pintar estos materiales con el papel tapiz correcto, veríamos más aislantes Dirac", dijo Wieder, "pero a veces, el papel tapiz incorrecto también es interesante".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Princeton . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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