Espectrómetro de dispersión inelástica de neutrones AMATERAS instalado en MLF, J-PARC. Crédito:J-PARC (KEK / JAEA)
Un equipo de investigadores de la Universidad de Tohoku, J-PARC, y el Instituto de Tecnología de Tokio llevaron a cabo un estudio en profundidad de las cuasipartículas magnéticas llamadas "triplones". El equipo realizó el estudio con un imán cuántico de baja dimensión, Licenciado en Letras 2 CuSi 2 O 6 Cl 2 , utilizando dispersión inelástica de neutrones por AMATERAS en J-PARC. Sus hallazgos conducen al descubrimiento de un nuevo "estado de borde triplón protegido topológicamente" en el compuesto mencionado anteriormente.
El descubrimiento conceptual de un aislante topológico genera atención desde un aspecto fundamental y tecnológico. El estudio mostró que podemos esperar un flujo de electrones no disipativo, también conocido como "estado de borde, "aparecer en la superficie de los aislantes topológicos debido a la diferencia en las características topológicas entre el interior y el exterior del aislante topológico.
Se han realizado enormes esfuerzos para realizar el estado de borde topológico en materiales electrónicos bidimensionales y tridimensionales reales, ya que este flujo no disipativo tiene el potencial de ser utilizado para la transmisión y procesamiento de información energéticamente eficiente en el futuro.
El concepto de estado de borde no solo se aplica a los electrones, pero a las cuasipartículas, que llevan corriente de espín en los materiales, emergiendo de fluctuaciones de espín de electrones como magnones y triplones. Sin embargo, hasta la fecha, sólo unos pocos ejemplos han demostrado cuasipartículas bosónicas con caracteres topológicos.
Utilizando la dispersión inelástica de neutrones de AMATERAS en J-PARC, el equipo pudo determinar con precisión las relaciones de dispersión de triplones en el imán cuántico Ba 2 CuSi 2 O 6 Cl 2 . Las relaciones de dispersión observadas fijan parámetros en el modelo hamiltoniano, que de hecho, muestran que el compuesto es una nueva realización del modelo Su-Schriffer-Heeger (SSH), el modelo más fundamental para determinar los aislantes topológicos. El modelo SSH es conocido por ser equivalente a un solo giro bajo un campo magnético ficticio. Las relaciones de dispersión, así como el campo magnético ficticio, se muestran en la imagen del título.
La vista esquemática de la dispersión calculada de triplones en Ba2CuSi2O6Cl2 en el espacio reticular recíproco. Las pirámides triangulares representan campos magnéticos ficticios. Crédito:Kazuhiro Nawa
A medida que la cuasipartícula se mueve de izquierda a derecha en la figura, un campo magnético ficticio hace una sola rotación. Simultaneamente, las fases de las cuasipartículas giran a la mitad, conduciendo a una topología no trivial. Esta topología no trivial de triplones estipula que los estados de borde existen en medio de la brecha de energía de Ba 2 CuSi 2 O 6 Cl 2 .La observación de triplones topológicos debería acelerar la detección de propiedades magnéticas y termodinámicas de los estados de borde, y puede conducir a un mayor desarrollo de materiales de procesamiento y transmisión de información energéticamente eficientes.
