Los electrones corren a lo largo de la superficie de ciertos materiales cristalinos inusuales, excepto que a veces no lo hacen. Dos nuevos estudios de investigadores de Princeton y sus colaboradores explican la fuente del comportamiento sorprendente y trazan un curso para restaurar la conductividad en estos cristales notables, muy apreciadospor su uso potencial en tecnologías futuras, incluidas las computadoras cuánticas.
Los estudios fueron publicados en la revista ciencia .
Durante los últimos 15 años, una clase de materiales conocidos como aislantes topológicos ha dominado la búsqueda de los materiales del futuro. Estos cristales tienen una propiedad poco común: sus interiores son aislantes, donde los electrones no pueden fluir, pero sus superficies sonconductores perfectos, donde los electrones fluyen sin resistencia.
Esa fue la imagen hasta el descubrimiento hace dos años de que algunos materiales topológicos en realidad no pueden conducir la corriente en su superficie, un fenómeno que se ganó el nombre de "topología frágil".
"La topología frágil es una bestia extraña: ahora se prevé que exista en cientos de materiales", dijo B. Andrei Bernevig, profesor de física en Princeton y coautor de ambos documentos. "Es como si el principio habitualen los que hemos estado confiando para determinar experimentalmente un estado topológico desglosado "
Para tener una idea de cómo se forman los estados frágiles, los investigadores recurrieron a dos recursos: ecuaciones matemáticas e impresoras 3D. Con Luis Elcoro en la Universidad del País Vasco, el investigador postdoctoral de Bernevig y Princeton, Zhi-Da Song, construyó una teoría matemática paraexplique lo que sucede dentro de los materiales.
Luego, Sebastian Huber y su equipo en ETH Zurich, en colaboración con investigadores del Princeton, el Instituto de Ciencia Weizmann en Israel, la Universidad Tecnológica del Sur de China y la Universidad de Wuhan, probaron la teoría construyendo un material topológico de tamaño natural a partir dePlásticos impresos en 3D.
Los materiales topológicos toman su nombre del campo de las matemáticas que explica cómo se relacionan las formas como las rosquillas y las tazas de café ambas tienen un agujero. Los mismos principios pueden explicar cómo los electrones saltan de un átomo a otro en la superficie deMás de 20,000 materiales topológicos identificados hasta la fecha. Los fundamentos teóricos de los materiales topológicos obtuvieron un Premio Nobel de Física 2016 por F. Duncan Haldane, Profesor de Física de la Universidad Sherman Fairchild de Princeton.
Lo que hace que estos cristales sean tan interesantes para los científicos son sus propiedades electrónicas paradójicas. El interior del cristal no tiene capacidad para conducir corriente; es un aislante. Pero corte el cristal por la mitad y los electrones se deslizarán a través del recién reveladosuperficies sin resistencia, protegidas por su naturaleza topológica.
La explicación radica en la conexión entre los electrones de la superficie y los del interior, o la masa. Se puede pensar que los electrones no son partículas individuales sino ondas que se extienden como ondas de agua de un guijarro arrojado a un estanque.En esta visión mecánica cuántica, la ubicación de cada electrón se describe mediante una onda de expansión que se denomina función de onda cuántica.En un material topológico, la función de onda cuántica de un electrón en el bulto se extiende hasta el borde del cristal, o límite de la superficie.entre el bulto y el límite conduce a un estado de superficie perfectamente conductor.
Este principio de "correspondencia de límites masivos" para explicar la conducción de la superficie topológica fue ampliamente aceptado hasta hace dos años, cuando un puñado de artículos científicos revelaron la existencia de una topología frágil. A diferencia de los estados topológicos habituales, los estados topológicos frágiles no tienenestados de superficie.
"El principio habitual de correspondencia de límites masivos se rompe", dijo Bernevig. Pero exactamente cómo siguió siendo un enigma.
En el primero de los dos ciencia los documentos, Bernevig, Song y Elcoro proporcionan una explicación teórica para una nueva correspondencia de límites masivos para explicar la topología frágil. Los colaboradores muestran que la función de onda de electrones de la topología frágil solo se extiende a la superficie bajo condiciones específicas, lo que los investigadores llaman retorcidocorrespondencia de límites masivos
El equipo descubrió además que la correspondencia torcida del límite de masa puede ajustarse para que reaparezcan los estados de la superficie conductora. "Basado en las formas de función de onda, diseñamos un conjunto de mecanismos para introducir interferencia en el límite de tal manera que elel estado fronterizo necesariamente se vuelve perfectamente conductor ", dijo Luis Elcoro, profesor de la Universidad del País Vasco.
Encontrar nuevos principios generales es algo que siempre intriga a los físicos, pero este nuevo tipo de correspondencia de límites masivos también podría tener algún valor práctico, según los investigadores. "La correspondencia retorcida de límites masivos de la topología frágil proporciona un procedimiento potencialpara controlar el estado de la superficie, que podría ser útil en aplicaciones mecánicas, electrónicas y ópticas ", dijo Song.
Pero probar que la teoría funciona era prácticamente imposible dado que uno tendría que interferir con los límites a escalas atómicas infinitamente pequeñas. Entonces, el equipo recurrió a los colaboradores para construir un modelo de tamaño real con el cual explorar sus ideas.
en el segundo ciencia papel, Sebastian Huber y su equipo en ETH Zurich construyeron un cristal topológico simulado a gran escala de plástico con piezas impresas en 3D. Usaron ondas de sonido para representar las funciones de ondas de electrones. Insertaron barreras para bloquear el camino de las ondas de sonido,lo que es análogo a cortar el cristal para revelar las superficies conductoras. De esta manera, los investigadores imitaron la condición de límite retorcido y luego demostraron que al manipularlo, podían demostrar que una onda de sonido libremente conductora viaja a través de la superficie.
"Esta fue una idea y realización muy de campo izquierdo", dijo Huber. "Ahora podemos demostrar que prácticamente todos los estados topológicos que se han realizado en nuestros sistemas artificiales son frágiles y no estables como se pensaba en el pasado. Estoel trabajo proporciona esa confirmación, pero mucho más, introduce un nuevo principio general "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Princeton . Original escrito por Catherine Zandonella. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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