Los cristales que poseen "mano" exhiben propiedades inusuales. Nueva evidencia sugiere que pueden alojar electrones que se mueven como la luz ralentizada y su comportamiento colectivo imita los monopolos magnéticos.
Un equipo internacional de investigadores ha descubierto que ciertas clases de cristales con una asimetría como la "mano" biológica, conocida como cristales quirales, pueden albergar electrones que se comportan de manera inesperada.
"Antes de nuestro trabajo, las propiedades a nivel cuántico de los electrones en los cristales quirales rara vez se estudiaban", dijo M. Zahid Hasan, profesor de física de Eugene Higgins en la Universidad de Princeton, quien dirigió la investigación. "Este trabajo decisivo abre un nuevocontinente para exploraciones en materiales topológicos "
La chiralidad, también conocida como la mano, es una propiedad física común a todos los objetos que no pueden superponerse en su imagen especular. Se manifiesta en objetos cotidianos como guantes, zapatos, tornillos y estacionamientos de varios niveles. Los cristales quirales son excelentes.interés para los físicos debido a sus propiedades magnéticas, ópticas, conductoras y especialmente a sus propiedades topológicas. En 2016, Duncan Haldane, profesor de física de la Universidad Sherman Fairchild de Princeton, ganó el Premio Nobel de Física por sus teorías que predicen las propiedades de los materiales topológicos.
"Las propiedades topológicas de la materia han surgido como uno de los tesoros más buscados en la física moderna", dijo Hasan, "tanto desde un punto de vista fundamental como para encontrar aplicaciones potenciales en la próxima generación de tecnologías cuánticas y nanotecnológicas".
En un artículo de octubre de 2018, el equipo de Hasan propuso una teoría que colmó la brecha entre la quiralidad física de los cristales y cómo se comportan los electrones en esos cristales, tanto cuánticamente mecánicamente como de acuerdo con las leyes matemáticas de la topología. Los investigadores se sorprendieron al descubrir queTodos los cristales quirales no magnéticos comparten una propiedad cuántica topológica universal: todas sus estructuras electrónicas presentan puntos de contacto de banda gobernados por la ecuación de Weyl, una ecuación cuántica de movimiento. El físico Hermann Weyl predijo tal comportamiento de partículas mientras estaba en Princeton en 1929.
Ahora, al usar la teoría grupal de los cristales, el equipo de Hasan ha determinado que los cristales quirales son capaces de albergar formas novedosas de fermiones de Weyl, electrones que colectivamente se comportan como si no tuvieran masa, a los que denominaron "fermiones quirales".El equipo aplicó estas ideas a los cristales quirales y encontró resultados inesperados con respecto a sus comportamientos electrónicos, ópticos y topológicos, lo que provocó el nombre de "cristales quirales topológicos". Los investigadores se sorprendieron aún más al descubrir que estos cristales quirales topológicos pueden exhibir fenómenos únicos como grandes Fermiarcos y espines de electrones que se comportan colectivamente como monopolos magnéticos.
Utilizando su teoría predictiva, los autores también identificaron numerosos compuestos quirales de alta calidad con potencial para aplicaciones experimentales. Entre ellos, los siliciuros de rodio, conocidos colectivamente como la familia RhSi, mostraron la mayor promesa, exhibiendo la superficie topológica más larga posible de Fermiarcos, una gran ventana de energía para explorar comportamientos electrónicos. Utilizando su técnica revolucionaria para detectar fermiones de Weyl, que Physics World identificó como uno de los 10 avances más importantes de 2015, Hasan y su equipo comenzaron un estudio de electrones en cristales quirales RhSifamilia hace unos años.
Estudiaron la disposición de los átomos en la superficie del material usando varias técnicas, como verificar el tipo correcto de simetría usando el microscopio de túnel de escaneo en el Laboratorio de Hasan para Materia Cuántica Topológica y Espectroscopía Avanzada ubicada en el sótano de la Sala Jadwin de Princeton.
Los cristales quirales fueron llevados al Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, donde los miembros del equipo de investigación utilizaron rayos X de alta energía para eliminar los electrones de la superficie, ya que el análisis de los patrones realizados por los electrones emitidos puede revelar sus masas y velocidades.Los investigadores descubrieron que los electrones emitidos desde las profundidades dentro de las muestras tenían efectivamente una masa cero, y sus distribuciones de velocidad y espín revelaban tanto su comportamiento quiral con las manos como su carácter colectivo similar a un monopolo.
"Es sorprendente ver que de alguna manera la quiralidad de la estructura cristalina tiene un profundo efecto sobre los electrones en estos materiales; ahora son sin masa y quirales", dijo Tyler Cochran, un estudiante graduado de física y uno de los tres co-primeros autores del artículo.
"Esperamos que esta sea la punta del iceberg", dijo Ilya Belopolski, estudiante de posgrado y coautora principal. "Hay tantos cristales quirales en la naturaleza. Sería genial comprobar cuántos de ellos son topológicos. Estosería un patio fantástico para nuevos tipos de fenómenos cuánticos "
"Los cristales quirales parecen ser una fuente perfecta para las nuevas fases electrónicas de la materia y, lo que es más emocionante, para los electrones sin masa del tipo que los físicos estaban buscando durante muchos años", dijo Daniel Sánchez, otro coprimer autor. "Esto es solofabuloso que los hayamos encontrado "
Los investigadores estaban entusiasmados de descubrir este comportamiento quiral a nivel cuántico de los electrones, dijo Guoqing Chang, un investigador postdoctoral asociado en el laboratorio de Hasan que fue el primer autor del artículo de teoría que predijo estos fenómenos topológicos. "Es uno de esos ejemplos dondenuestras predicciones teóricas se han realizado experimentalmente ", dijo." Eso no siempre sucede. Predijimos algo nuevo que coincidía con lo que la Madre Naturaleza nos tenía reservada, esto es simplemente emocionante ".
"De hecho, es inmensamente satisfactorio cuando predices algo exótico y también aparece en los experimentos de laboratorio", dijo Hasan. "Esta no es la primera vez que tenemos éxito en predecir efectos topológicos en la física cuántica. Predijimos con éxito algunos de losnuevos aislantes topológicos a base de bismuto que ahora se encuentran entre los compuestos más estudiados en el campo ".
Añadió: "Estamos combinando teoría y experimentos para avanzar en la frontera del conocimiento".
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