Investigadores de PSI han investigado un nuevo material cristalino que exhibe propiedades electrónicas que nunca antes se habían visto. Es un cristal de átomos de aluminio y platino dispuestos de una manera especial. En las células unitarias que se repiten simétricamente de este cristal, los átomos individuales fuerondesplazados unos de otros de tal manera que, conectados a los ojos de la mente, siguieron la forma de una escalera de caracol, lo que resultó en nuevas propiedades de comportamiento electrónico para el cristal en su conjunto, incluida la llamada Rarita-Schwingerfermiones en su interior y arcos de Fermi topológicos muy largos y cuádruples en su superficie. Los investigadores ahora han publicado sus resultados en la revista Física de la naturaleza .
Investigadores del Instituto Paul Scherrer PSI han encontrado un nuevo tipo de cuasipartícula. Las cuasipartículas son estados en el material que se comportan de cierta manera como partículas elementales reales. Los dos físicos William Rarita y Julian Schwinger habían predicho este tipo de cuasipartículas en 1941,que se conoció como fermiones de Rarita-Schwinger. Exactamente estos se han detectado experimentalmente por primera vez, gracias en parte a las mediciones en el Swiss Synchrotron Light Source SLS en PSI ". Hasta donde sabemos, estamos ...simultáneamente con otros tres grupos de investigación, entre los primeros en ver fermiones de Rarita-Schwinger ", dice Niels Schröter, investigador de PSI y primer autor del nuevo estudio.
La búsqueda de estados de electrones exóticos
Los investigadores descubrieron las cuasipartículas mientras investigaban un material novedoso: un cristal especial de aluminio y platino. "Cuando se veía a simple vista, nuestro cristal era simplemente un cubo pequeño: aproximadamente medio centímetro de tamaño y negruzco plateado", dice Schröter"Nuestros colegas del Instituto Max Planck de Física Química de Sólidos en Dresden lo produjeron mediante un proceso especial. Además de los investigadores en Dresden, científicos en Gran Bretaña, España y los Estados Unidos también participaron en el estudio actual.El objetivo de los investigadores de Dresde era lograr una disposición personalizada de los átomos en la red cristalina.
En un cristal, cada átomo tiene un lugar exactamente asignado. Un grupo de átomos adyacentes a menudo en forma de cubo forma un elemento básico, la llamada celda unitaria. Esto se repite en todas las direcciones y, por lo tanto, forma el cristal con sus simetrías típicas, que también son visibles desde el exterior. Sin embargo, en el cristal de aluminio y platino que se investigó ahora, los átomos individuales en las celdas elementales adyacentes estaban ligeramente compensados entre sí para que, como estaban conectados en el ojo de la mente, siguieran la formade una escalera de caracol, o en otras palabras: una línea helicoidal. "Funcionó exactamente como estaba previsto: teníamos un cristal quiral", explica Schröter.
Cristales como dos manos
Los materiales quirales se pueden comparar con nuestras manos: la mano derecha es una imagen especular de la izquierda. En los cristales quirales esto significa que en algunos especímenes la escalera de caracol imaginaria de los átomos corre en el sentido de las agujas del reloj, en otros corre en sentido antihorario. NoNo importa cómo se convierta el cristal, siempre será diferente del cristal de la otra mano. "Los investigadores consideran que los materiales quirales son muy emocionantes", explica Vladimir Strocov, investigador de la ISP y coautor del estudio actual, "porque los modelos matemáticos hacenmuchas predicciones de que se pueden encontrar fenómenos físicos exóticos en ellos "
Y este fue el caso con el cristal de aluminio y platino que los investigadores investigaron. Utilizando la radiación X del SLS y la espectroscopía de fotoelectrones, hicieron visibles las propiedades electrónicas dentro del cristal. Además, las mediciones complementarias del mismo cristalen la Fuente de Luz Diamante en Oxfordshire, Inglaterra, les permitió ver las estructuras electrónicas en su superficie.
Estas investigaciones mostraron que el cristal especial no solo era un material quiral, sino también uno topológico. "Llamamos a este tipo de material semimetal topológico quiral", dice Strocov. "Gracias a las excelentes habilidades espectroscópicas de la línea de luz ADRESS aquíen SLS, ahora estamos entre los primeros en probar experimentalmente la existencia de dicho material ".
El mundo de las donas
Los materiales topológicos salieron a la luz pública con el Premio Nobel de Física en 2016, cuando tres investigadores fueron honrados por sus investigaciones sobre las fases topológicas y las transiciones de fase.
La topología es un campo de las matemáticas que se ocupa de estructuras y formas que son similares entre sí. Por ejemplo, una bola de plastilina se puede formar en un dado, un plato o un tazón simplemente presionando y tirando - estosPor lo tanto, las formas son topológicamente idénticas. Sin embargo, para obtener una dona o una forma con forma de 8, debe hacer agujeros en la arcilla: uno para la dona, dos agujeros para el 8.
Esta clasificación según el número de agujeros y otras propiedades topológicas ya ha sido aplicada a otras propiedades físicas de los materiales por los científicos que recibieron el Premio Nobel en 2016. Así, por ejemplo, la teoría de los llamados fluidos cuánticos topológicosfue desarrollado.
"El hecho de que nuestro cristal sea un material topológico significa que, en sentido figurado, el número de agujeros dentro del cristal es diferente del número de agujeros fuera de él. Por lo tanto, en la transición entre el cristal y el aire, por lo tanto, en la superficie del cristal,el número de agujeros no está bien definido. Lo que está claro, sin embargo, es que aquí es donde cambia ", explica Schröter." Decimos que tiene lugar una transición de fase topológica en la superficie del cristal. Como resultado, surgen nuevos estados electrónicosallí: arcos de Fermi topológicos "
cuasipartículas en el interior, arcos de Fermi en la superficie
Es precisamente la combinación de estos dos fenómenos, la quiralidad y la topología del cristal, lo que conduce a las propiedades electrónicas inusuales que también difieren dentro del material y en su superficie.
Si bien los investigadores pudieron detectar los fermiones Rarita-Schwinger dentro del material, las mediciones complementarias en la fuente de radiación sincrotrón inglesa Diamond Light Source revelaron otros estados electrónicos exóticos en la superficie del material: cuatro llamados arcos de Fermi, que sontambién significativamente más largo que cualquier arco de Fermi observado anteriormente.
"Está bastante claro que los fermiones Rarita-Schwinger en el interior y estos arcos Fermi especiales en la superficie están conectados. Ambos resultan del hecho de que es un material topológico quiral", dice Schröter. "Estamos muy contentos de quefuimos de los primeros en encontrar un material de este tipo. No se trata solo de estas dos propiedades electrónicas: el descubrimiento de materiales quirales topológicos abrirá un patio de recreo de nuevos fenómenos exóticos ".
Los investigadores están interesados en nuevos materiales y el comportamiento exótico de los electrones porque algunos de ellos podrían ser adecuados para aplicaciones en la electrónica del futuro. El objetivo es, por ejemplo, con las computadoras cuánticas, lograr un almacenamiento y almacenamiento cada vez más denso y rápidotransmisión de datos en el futuro y para reducir el consumo de energía de los componentes electrónicos.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto Paul Scherrer . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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