Nuevos experimentos con aisladores topológicos dopados magnéticamente en BESSY II han revelado posibles caminos para la transmisión de señales sin pérdida que implican un sorprendente fenómeno de autoorganización. En el futuro, podría ser posible desarrollar materiales que muestren este fenómeno a temperatura ambiente y puedanutilizado como unidades de procesamiento en una computadora cuántica, por ejemplo.
Los nuevos efectos en la física del estado sólido a menudo se descubren por primera vez a temperaturas cercanas al cero absoluto 0 Kelvin o -273 ° C. Posteriormente, la investigación puede determinar si estos fenómenos también pueden ser inducidos a temperatura ambiente y de qué manera.esa superconductividad se observó inicialmente en mercurio por debajo de 4 Kelvin hace más de 100 años. Hoy en día, hay muchos superconductores de alta temperatura que conducen corriente eléctrica sin pérdidas resistivas a temperaturas tan altas como 138 Kelvin o incluso 200 Kelvin el registro que posee H2S.
El efecto Hall anómalo cuantificado QAHE se observó por primera vez en un aislante topológico dopado magnéticamente por debajo de 50 milikelvin en 2013. Similar a la superconductividad, este efecto permite el transporte de carga sin pérdida dentro de los canales delgados de las muestras. Mientras tanto, tienese ha logrado aumentar la temperatura máxima a la que se puede observar el efecto hasta aproximadamente 1 Kelvin.
Sin embargo, en base a consideraciones teóricas, el QAHE debería ocurrir a temperaturas mucho más altas. Por lo tanto, es un misterio por qué esto no sucede. Un parámetro crítico se conoce como la brecha de energía magnética de la muestra, pero nunca nadielo midió antes. Cuanto mayor sea esta brecha, más estable será el efecto hacia la influencia de la temperatura.
Un equipo internacional encabezado por el físico HZB Prof. Dr. Oliver Rader y el Prof. Dr. Gunther Springholz de la Universidad de Linz ha logrado un gran avance. Mediante la espectroscopía de fotoelectrones con radiación sincrotrón de BESSY II han podido medir la brecha energéticaen una muestra de este tipo por primera vez. Para lograr esto, el equipo llamado ARPES1cube se utilizó para alcanzar temperaturas extremadamente bajas, así como la nueva capacidad de resolución de giro del laboratorio ruso-alemán en BESSY II. Sorprendentemente, la brecha era en realidad cincoveces mayor de lo teóricamente predicho.
Los científicos también encontraron una razón simple para este resultado: "Ahora sabemos que el dopaje con manganeso no ocurre de manera desordenada. Por el contrario, causa estratificación conocida como una superestructura en el material - capas muy parecidas a un hojaldre", explica Springholz." Al agregar un pequeño porcentaje de manganeso, se crean unidades alternas de siete y cinco capas. Esto hace que el manganeso se contenga preferentemente dentro de las unidades de siete capas y, por lo tanto, puede generar la brecha de energía de manera mucho más efectiva."
Rader dice en retrospectiva que la imaginación de los investigadores al usar dopantes no se ha extendido lo suficiente hasta la fecha. Usaron elementos trivalentes como el cromo y el vanadio que tienen características magnéticas para sustituir el bismuto en el telururo de bismuto Bi2Te3, con los átomos dopantes.en un estado desordenado. La razón de esto parecía muy convincente: los elementos magnéticos trivalentes contribuyen con tres electrones a los enlaces químicos y su valencia química conduce estos elementos a los sitios de bismuto. Con el manganeso, la situación es diferente. Dado que el manganeso es bivalente, norealmente encaja bien en los sitios de bismuto. Aparentemente por eso el sistema se reestructura radicalmente y crea una nueva doble capa de átomos en la cual el manganeso puede incorporarse de forma bivalente. "De esta manera, se crea una estructura, de manera autoorganizada- en el que el manganeso puede producir la gran brecha de energía magnética ", explica Rader.
Si estos fenómenos de autoorganización se explotan de maneras específicas, entonces pueden surgir configuraciones completamente nuevas para los materiales topológicos magnéticos, según Springholz. En principio, la brecha que ahora se ha medido ya es tan grande que debería permitir la construcción de unQAHE a temperatura ambiente a partir de componentes apropiados. Sin embargo, aún deben mejorarse otros parámetros. Un aislante topológico magnético como este en combinación con un superconductor ordinario también podría permitir la realización de una unidad de procesamiento cuántico Qbit para una computadora cuántica.
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Materiales proporcionado por Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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