La realización de los llamados materiales topológicos, que exhiben propiedades exóticas resistentes a defectos y se espera que tengan aplicaciones en electrónica, óptica, computación cuántica y otros campos, ha abierto un nuevo reino en el descubrimiento de materiales.
Varios de los materiales topológicos estudiados hasta la fecha se conocen como aislantes topológicos. Se espera que sus superficies conduzcan electricidad con muy poca resistencia, algo similar a los superconductores pero sin la necesidad de temperaturas increíblemente frías, mientras que sus interiores, elllamado "volumen" del material, no conduzca corriente.
Ahora, un equipo de investigadores que trabaja en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía Berkeley Lab ha descubierto el conductor topológico más fuerte hasta la fecha, en forma de muestras de cristales delgados que tienen una estructura de escalera de caracol. El estudio del equipo de cristales, denominado cristales quirales topológicos, se informa en la edición del 20 de marzo de la revista Naturaleza .
La estructura en espiral similar al ADN, o helicoide, en la muestra de cristal que fue el foco del último estudio exhibe una quiralidad o "mano", ya que una persona puede ser zurda o diestra, y la izquierdala mano es una imagen especular de la mano derecha. En algunos casos, las propiedades quirales pueden invertirse, como si una persona zurda se convirtiera en una persona diestra.
"En este nuevo trabajo estamos demostrando esencialmente que este es un nuevo estado de materia cuántica, que también exhibe propiedades superficiales topológicas casi ideales que emergen como consecuencia de la quiralidad de la estructura cristalina", dijo M. Zahid Hasan, unpionero en materiales topológicos que dirigió la teoría de los materiales y los experimentos como científico visitante de la facultad en la División de Ciencias de los Materiales en Berkeley Lab. Hasan también es profesor de física de Eugene Higgins en la Universidad de Princeton.
Se midió que una propiedad que define la conductividad topológica, que está relacionada con la conductividad eléctrica de la superficie del material, es aproximadamente 100 veces mayor que la observada en metales topológicos previamente identificados.
Esta propiedad, conocida como el arco de Fermi de superficie, se reveló en experimentos de rayos X en la Fuente de luz avanzada ALS de Berkeley Lab utilizando una técnica conocida como espectroscopía de fotoemisión. El ALS es un sincrotrón que produce luz intensa, desde infrarrojos hastaRayos X de alta energía: para docenas de experimentos simultáneos.
La topología es un concepto matemático bien establecido que se relaciona con la preservación de las propiedades geométricas de un objeto, incluso si un objeto se estira o deforma de otras maneras. Algunas de sus aplicaciones experimentales en materiales electrónicos 3D, como descubrir comportamientos topológicos en materiales'estructuras electrónicas: solo se realizaron hace poco más de una década, con contribuciones tempranas y continuas de Berkeley Lab.
"Después de más de 12 años de investigación en física y materiales topológicos, creo que esto es solo la punta del iceberg", agregó Hasan. "Según nuestras mediciones, este es el metal conductor más robusto y protegido topológicamente quecualquiera ha descubierto, nos está llevando a una nueva frontera "
Protegido topológicamente significa que algunas de las propiedades del material son constantes, incluso si el material no es perfecto. Esa calidad también refuerza la posibilidad futura de aplicaciones prácticas y de fabricación para este tipo de materiales.
Ilya Belopolski, un investigador de Princeton que participó tanto en la teoría como en el trabajo experimental, señaló que una propiedad particularmente interesante de los cristales estudiados, que incluía cristales de cobalto-silicio y rodio-silicio, es que pueden producir una corriente eléctricade una fuerza fija cuando brillas una luz sobre ellos.
"Nuestras teorías anteriores mostraron que, en base a las propiedades electrónicas del material que hemos observado ahora, la corriente se fijaría en valores específicos", dijo. "No importa qué tan grande sea la muestra, o siestá sucio. Es un valor universal. Eso es sorprendente. Para las aplicaciones, el rendimiento será el mismo ".
En experimentos anteriores en el ALS, el equipo de Hasan había revelado la existencia de un tipo de cuasipartículas sin masa conocidas como fermiones de Weyl, que solo se sabía que existían en teoría durante unos 85 años.
Los fermiones de Weyl, que se observaron en cristales sintéticos de un semimetal llamado arseniuro de tántalo, exhiben algunas propiedades electrónicas similares a las encontradas en los cristales utilizados en el último estudio, pero carecían de sus rasgos quirales. Los semimetales son materiales que tienen algo de metal yalgunas propiedades no metálicas.
"Nuestro trabajo anterior sobre los semimetales Weyl allanó el camino para la investigación sobre conductores topológicos exóticos", dijo Hasan. En un estudio de noviembre de 2017 que se centró en la teoría que rodea estos materiales exóticos, el equipo de Hasan predijo que los electrones en rodio-silicio y muchos materiales relacionadosse comportó de maneras muy inusuales
El equipo había predicho que las cuasipartículas en el material, descritas por el movimiento colectivo de los electrones, emergen como electrones sin masa y deben comportarse como partículas de luz tridimensionales lentas, con rasgos definidos de mano o quiralidad a diferencia de los aislantes topológicos o el grafeno.
Además, sus cálculos, publicados el 1 de octubre de 2018 en el Materiales de la naturaleza diario, sugirió que los electrones en los cristales se comportarían colectivamente como si fueran monopolos magnéticos en su movimiento. Los monopolos magnéticos son partículas hipotéticas con un solo polo magnético, como la Tierra sin un Polo Sur que puede moverse independientemente de un Polo Norte.
Todo este comportamiento topológico inusual apunta hacia la naturaleza quiral de las muestras de cristal, que crean una estructura electrónica espiral o "helicoidal", como se observó en los experimentos, anotó Hasan.
Las muestras estudiadas, que contienen cristales que miden hasta un par de milímetros de diámetro, fueron preparadas de antemano por varias fuentes internacionales. Los cristales fueron caracterizados por el grupo de Hasan en el Laboratorio de Princeton para Materia Cuántica Topológica y Espectroscopía Avanzada usando un escaneo a baja temperaturamicroscopio de túnel que puede escanear muestras a escala atómica, y luego las muestras fueron transportadas a Berkeley Lab.
Antes de estudiar en el ALS, las muestras se sometieron a un tratamiento de pulido especializado en la fundición molecular de Berkeley Lab, un centro de investigación científica a nanoescala. Daniel Sánchez y Tyler Cochran, investigadores de Princeton que contribuyeron al estudio, dijeron que las muestras para tales estudios son típicamente"cortado" o roto para que sean atómicamente planas.
Pero en este caso, los enlaces de cristal fueron muy fuertes porque los cristales tienen una forma cúbica. Entonces, los miembros del equipo trabajaron con el personal de la Fundición Molecular para disparar átomos de argón de alta energía en las muestras de cristal para limpiarlos y aplanarlos, y luegorecristalizó y pulió las muestras mediante un proceso de calentamiento.
Los investigadores utilizaron dos líneas diferentes de rayos X en el ALS Beamline 10.0.1 y Beamline 4.0.3 para descubrir las propiedades inusuales electrónicas y de espín de las muestras de cristal.
Debido a que el comportamiento electrónico en las muestras parece imitar la quiralidad en la estructura de los cristales, Hasan dijo que hay muchas otras vías para explorar, como probar si la superconductividad se puede transferir a través de otros materiales al conductor topológico.
"Esto podría conducir a un nuevo tipo de superconductor", dijo, "o la exploración de un nuevo efecto cuántico. ¿Es posible tener un superconductor topológico quiral?"
Además, si bien las propiedades topológicas observadas en los cristales de rodio-silicio y cobalto-silicio en el último estudio se consideran ideales, hay muchos otros materiales que se han identificado que podrían estudiarse para evaluar su potencial para mejorar el rendimiento en el mundo realaplicaciones, dijo Hasan.
"Resulta que la misma física también podría ser posible en otros compuestos en el futuro que sean más adecuados para dispositivos", dijo.
"Es una inmensa satisfacción cuando predices algo exótico y también aparece en los experimentos de laboratorio", agregó Hasan, señalando los éxitos anteriores de su equipo en la predicción de las propiedades topológicas de los materiales ". Con predicciones teóricas definitivas, hemos combinado teoría yexperimentos para avanzar en la frontera del conocimiento "
La fuente de luz avanzada y la fundición molecular son instalaciones de usuario de la Oficina de Ciencias del DOE.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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