El concepto de quiralidad está bien establecido en la ciencia:cuando un objeto no se puede superponer a su imagen especular, tanto el objeto como su imagen especular se denominan quirales. En la industria farmacéutica, por ejemplo, más del 50% de las moléculas farmacéuticamente activas que se utilizan en la actualidad son moléculas quirales. Si bien uno de los 'enantiómeros' salva vidas, su contraparte con mano opuesta puede ser venenosa. Otro concepto que ha encontrado un gran interés en la ciencia de materiales contemporánea es la topología, ya que muchos de los llamados materiales topológicos presentan propiedades exóticas. Por ejemplo, Los materiales topológicos pueden tener estados de borde protegidos donde los electrones fluyen libremente sin resistencia, como si se creara una trayectoria superconductora de electrones en el borde de un material. Estas propiedades poco convencionales son una manifestación de la naturaleza cuántica de la materia. Los materiales topológicos se pueden clasificar por un número cuántico especial, llamada carga topológica o número de Chern.

Los materiales topológicos quirales tienen propiedades particularmente únicas que pueden ser útiles en dispositivos futuros para computadoras cuánticas que podrían acelerar los cálculos considerablemente. Un ejemplo de tal propiedad es la gran corriente fotogalvánica cuantificada largamente buscada. Aquí se genera una corriente continua fija en un material topológico quiral una vez expuesto a una luz polarizada circularmente, que es independiente de la fuerza de la radiación incidente y su dirección puede ser manipulada por la polarización de la luz incidente. Este fenómeno se basa en el hecho de que el material posee una alta carga topológica de 4, que es el valor máximo posible en cualquier material.

Químicos y físicos de estado sólido del Instituto Max Planck de Física Química de Sólidos (MPI CPfS), el Instituto Leibniz de Investigación de Materiales y Estado Sólido (IFW), el Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), Helmholtz-Zentrum Berlin fuer Materialien und Energie (HZB) y la Universidad de Ciencia y Tecnología de China, Hefei logró realizar este peculiar estado electrónico por primera vez en el nuevo compuesto topológico quiral PtGa. Sus resultados han sido publicados en Comunicaciones de la naturaleza .

En el estudio, Los investigadores han utilizado un acoplamiento espín-órbita excepcionalmente fuerte en PtGa como parámetro clave para resolver y contar claramente el número de estados de superficie topológicos especiales. llamados los arcos de Fermi, que determinan la carga topológica. "PtGa es el mejor compuesto existente en la naturaleza con estructura quiral B20 para observar arcos de Fermi divididos por espín y realizar el número máximo de Chern 4, ya que tiene el acoplamiento espín-órbita más fuerte". dice Kaustuv Manna, uno de los autores del estudio que trabaja como científico en el Instituto Max Planck de Física Química de Sólidos de Dresde.

Los cálculos teóricos realizados por Yan Sun y sus colegas sugirieron que el compuesto PtGa es un candidato muy prometedor para observar la alta carga topológica que fue verificada experimentalmente por Mengyu Yao y sus colegas, quienes realizaron estudios detallados de espectroscopía de fotoemisión de resolución angular (ARPES). ARPES es una poderosa herramienta para investigar el comportamiento de los electrones en sólidos.

"El trabajo de Yao et al. Revela que PtGa es un semimetal topológico con una carga quiral máxima y tiene el acoplamiento espín-orbital más fuerte entre todos los cristales quirales identificados hasta la fecha. Esta observación es significativa y tiene grandes implicaciones para sus propiedades de transporte, como el magnetotransporte ", explica Ming Shi, profesor y científico principal del Instituto Paul Scherrer, Suiza.

El estudio es un ejemplo de una excelente colaboración entre grupos de investigación que cubren diferentes áreas de especialización. Dentro del clúster de excelencia ct.qmat, los científicos están cooperando para investigar fundamentalmente nuevos estados de la materia. "Nos estamos centrando en materiales novedosos cuyas propiedades y funciones observadas están impulsadas por interacciones de la mecánica cuántica a nivel atómico, con semimetales como PtGa siendo uno de los ejemplos más interesantes, "dice Jochen Wosnitza, Director del Laboratorio de Alto Campo Magnético (HLD) de Dresde en HZDR, refiriéndose a uno de los principales temas de investigación del clúster. Los institutos que participan en el clúster y colaboran en la publicación actual incluyen los socios del concepto DRESDEN MPI CPfS, IFW, y HZDR.