Los investigadores de SLAC / Stanford han cambiado un material dentro y fuera de un estado topológico con propiedades electrónicas novedosas. Los científicos controlaron el interruptor con una forma invisible de luz, llamada radiación de terahercios, lo que hizo que las capas del material se balancearan hacia adelante y hacia atrás. Crédito:Edbert Sie / Universidad de Stanford; Estudio Ella Maru
Una característica extraña de ciertos materiales exóticos permite que los electrones viajen de una superficie a otra del material como si no hubiera nada en el medio. Ahora, Los investigadores han demostrado que pueden activar y desactivar esta función alternando un material dentro y fuera de un estado topológico estable con pulsos de luz. El método podría proporcionar una nueva forma de manipular materiales que podrían usarse en futuras computadoras y dispositivos cuánticos que transportan corriente eléctrica sin pérdidas.
Los materiales topológicos son particularmente interesantes para estas aplicaciones porque sus estados electrónicos son extraordinariamente resistentes a perturbaciones externas, como calefacción, presión mecánica y defectos de material. Pero para hacer uso de estos materiales, los científicos también necesitan formas de ajustar sus propiedades.
"Aquí, Hemos encontrado un medio ultrarrápido y energéticamente eficiente de utilizar la luz como una perturbación externa para impulsar un material dentro y fuera de su estado topológico estable. "dijo Aaron Lindenberg, investigador principal del estudio y profesor asociado en el Laboratorio del Acelerador Nacional SLAC del Departamento de Energía y la Universidad de Stanford.
El equipo de SLAC / Stanford publicó sus resultados en Naturaleza .
Controlar la topología con luz
En matemáticas, La topología describe cómo un objeto geométrico puede transformarse en varias formas sin perder ciertas propiedades. Por ejemplo, una esfera puede transformarse en un disco plano pero no en una rosquilla, porque eso requeriría hacerle un agujero.
En materiales, el concepto de topología es más abstracto, pero de manera similar conduce a una robustez extraordinaria:los materiales en un estado topológico mantienen sus propiedades exóticas, como la capacidad de conducir electricidad con muy poca pérdida, bajo perturbación externa.
Los pulsos de radiación de terahercios cambian las capas atómicas vecinas en el material topológico ditelurida de tungsteno en direcciones opuestas, distorsionando la estructura atómica del material. Siguiendo un pulso, la estructura oscila, con capas oscilando hacia adelante y hacia atrás alrededor de sus posiciones originales. Balanceándose en una dirección el material pierde sus propiedades topológicas. Balanceándose en la otra dirección se vuelven más estables. Para mayor claridad, Los movimientos se han exagerado en esta animación. Crédito:Greg Stewart / SLAC National Accelerator Laboratory
"Estos materiales ofrecen una plataforma interesante para comprender nuevos conceptos en física de materiales, y hemos estado aprendiendo activamente nuevas formas de utilizar su potencial único, "dijo Edbert Sie, miembro del Laboratorio Geballe de Materiales Avanzados en Stanford que trabaja con Lindenberg y uno de los autores principales del nuevo estudio. La investigación sobre materiales topológicos ha sido galardonada con el Premio Nobel de Física 2016 y un Premio Breakthrough 2019.
Aunque los materiales topológicos son conocidos por su estabilidad, ciertas perturbaciones también pueden sacarlos de su estado estable. "En nuestro propio trabajo, Estamos buscando formas de utilizar la luz y la tensión para manipular materiales topológicos y crear nuevos estados de materiales que puedan ser útiles para aplicaciones futuras. "Sie dijo.
Este estudio se centró en un material topológico llamado ditelurida de tungsteno, que está hecho de capas bidimensionales apiladas. Los científicos ya han propuesto que cuando el material está en su estado topológico, la disposición particular de los átomos en esas capas puede generar lo que se denominan nodos de Weyl que exhiben propiedades electrónicas únicas, como conductividad de resistencia cero. Estos puntos se pueden considerar como características similares a un agujero de gusano que hacen un túnel de electrones entre superficies opuestas del material.
Sie y sus colegas se propusieron modificar las propiedades del material con pulsos de radiación de terahercios, una forma invisible de luz cuyas longitudes de onda se encuentran entre la radiación infrarroja y la de microondas. Lo que encontraron los tomó por sorpresa:Con la luz, pudieron cambiar rápidamente el material entre su estado topológico y un estado no topológico, apagando y volviendo a encender efectivamente el estado de resistencia cero.
"Es la primera vez que alguien ve este comportamiento de cambio, "dijo Clara Nyby, estudiante de posgrado del equipo de Lindenberg y otro autor principal del estudio. "El uso de radiación de terahercios fue la clave aquí porque su energía puede impulsar este movimiento de manera eficiente".
Esquema de la "cámara de electrones" ultrarrápida de SLAC. El instrumento envía un haz de electrones de alta energía (línea azul punteada) a través de una muestra, generando un patrón de intensidad de electrones dispersos en un detector (patrón de difracción a la derecha). El patrón y sus cambios a lo largo del tiempo revelan la estructura de la muestra y los movimientos ultrarrápidos con detalles atómicos. En este experimento en particular, un equipo de SLAC / Stanford estudió los movimientos en un material topológico en respuesta a la radiación de terahercios (flecha rosa). Crédito:Greg Stewart / SLAC National Accelerator Laboratory
'Cámara de electrones' ultrarrápida revela cambio de material
Para saber qué sucedió exactamente en el material, Los investigadores utilizaron el instrumento de SLAC para difracción ultrarrápida de electrones (UED), una "cámara de electrones" de alta velocidad, para tomar instantáneas rápidas de la estructura atómica del material inmediatamente después de que fuera alcanzado por un pulso de terahercios.
Descubrieron que los pulsos cambiaban las capas atómicas vecinas en direcciones opuestas, distorsionando la estructura atómica del material. La estructura comenzó a oscilar, con capas oscilando hacia adelante y hacia atrás alrededor de sus posiciones originales (ver animación arriba). Balanceándose en una dirección el material perdió su propiedad topológica. Balanceándose en la otra dirección la propiedad reapareció y se volvió más estable.
"Hay muchos movimientos atómicos que pueden ocurrir potencialmente en el material, "dijo el coautor Xijie Wang, jefe del equipo UED de SLAC. "La combinación de pulsos de terahercios y UED, utilizado aquí por primera vez, hizo posible este experimento. Nos permitió identificar rápidamente este movimiento oscilatorio en particular ".
Coautor Das Pemmaraju, un científico asociado del personal en SLAC, dijo, "Los datos de UED también fueron la base para los cálculos de la estructura electrónica del material y su respuesta a la radiación de terahercios. Nuestros resultados demuestran que la radiación saca el material de su estado topológico y luego vuelve a entrar".
Queda por ver cómo este mecanismo de conmutación, para el que el equipo ha obtenido una patente provisional, realmente se puede utilizar. "Es temprano en el juego, ", Dijo Sie." Pero el hecho de que podamos manipular materiales topológicos de una manera bastante simple usando luz y tensión tiene un gran potencial ".
Próximo, los científicos quieren aplicar su método a más materiales e investigar cómo estas modificaciones estructurales cambian sus propiedades electrónicas, explorar más el mundo de la ciencia de los materiales topológicos.
