El estado semimetálico de Weyl se induce cuando los movimientos opuestos de los electrones hacen que los conos de Dirac se dividan en dos (ilustrado a la izquierda por los electrones que miran hacia afuera, opuesto a los electrones que miran hacia adentro a la derecha). El estado anormal permite un mayor flujo eléctrico con una resistencia mínima. Crédito:ORNL / Jill Hemman
La observación de un estado anormal de la materia en un material magnético bidimensional es el último desarrollo en la carrera por aprovechar las propiedades electrónicas novedosas para dispositivos de próxima generación más robustos y eficientes.
La dispersión de neutrones en el Laboratorio Nacional Oak Ridge (ORNL) del Departamento de Energía (DOE) ayudó a un equipo multiinstitucional dirigido por la Universidad de Tulane a investigar un material de estroncio-manganeso-antimonio similar al grafeno (Sr 1 año Minnesota 1-z Sb 2 ) que alberga lo que los investigadores sospechan es una fase semimetálica de Weyl.
Las propiedades de los semimetales de Weyl incluyen tanto el magnetismo como el comportamiento de los semimetales topológicos, en el que los electrones, o portadores de carga, carecen prácticamente de masa y son inmunes a los defectos de conducción. Los resultados del equipo se publicaron en la revista Materiales de la naturaleza .
Las mediciones de dispersión de neutrones en el reactor de isótopos de alto flujo, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en ORNL, y los estudios de campo magnético en el Laboratorio Nacional de Alto Campo Magnético de la Universidad Estatal de Florida descubrieron comportamientos mecanicistas clave que sustentan la relación del material cuántico entre el transporte de electrones y el magnetismo.
"Los semimetales de Weyl son una especie de Santo Grial en física en este momento, "dijo Alan Tennant, científico jefe de la Dirección de Ciencias Neutrónicas de ORNL. "Algunos de estos tipos de materiales muestran un comportamiento cuántico a temperatura ambiente, que es precisamente lo que se debe lograr para proporcionar un camino hacia la electrónica cuántica ".
Significativamente más fuerte que el acero, y un excelente conductor de calor y electricidad, el grafeno es un material de construcción muy deseable para la electrónica. Sin embargo, carece de las propiedades magnéticas tradicionales necesarias para lograr un mayor control sobre el transporte de electrones. Es por eso que los investigadores están buscando semimetales de Weyl, dice Qiang Zhang, un científico visitante de la Universidad Estatal de Luisiana (LSU) que trabaja en el Centro Shull Wollan de ORNL, un Instituto Conjunto de Ciencias de Neutrones.
"Los semimetales de Weyl son raros, y la mayoría de ellos no son magnéticos. Encontramos uno que es magnético ", Dijo Zhang." Si podemos comprender mejor los comportamientos electrónicos que encontramos en este material, podría acelerar significativamente las tecnologías de computadoras y teléfonos inteligentes ".
Los electrones del grafeno tienen una propiedad famosa:forman un "cono de Dirac", en el que su impulso y energía están relacionados de la misma manera que ocurre en la luz.
A diferencia del grafeno, el material del equipo exhibe magnetismo tradicional, o ferromagnetismo, lo que significa que los electrones se alinean en una disposición paralela como los polos norte y sur de un imán de barra típico. Pero también exhibe antiferromagnetismo, en el que los electrones apuntan en direcciones opuestas a sus electrones vecinos.
El magnetismo tiene un efecto profundo, Tennant explica. Los movimientos opuestos de los electrones hacen que el cono de Dirac se rompa o se parta en dos, para que se formen dos nuevos conos. Esto rompe un principio conocido como simetría de inversión del tiempo, lo que significa que el sistema no sería el mismo si se rebobinara el tiempo. "Piense en una peonza girando en reversa, " él dice.
Cuando los dos conos rompen la simetría de inversión del tiempo, inducen un estado semimetálico de Weyl en el que los electrones pierden masa.
El significado es que los electrones, como muchas partículas, tener misa. Debido a eso, además de los tamaños cada vez más pequeños de transistores y materiales portadores de carga similares, los electrones tienen una tendencia a atascarse, o crear atascos de tráfico. En semimetales Weyl, los electrones son más como portadores de carga que se comportan como si no tuvieran masa, lo que los hace altamente móviles.
Examinando un pequeño, cristal de alta calidad cultivado en la Universidad de Tulane, el equipo pudo determinar la estructura magnética de Sr1-yMn1-zSb2, utilizando neutrones en el instrumento Difractómetro de Cuatro Círculos en el Reactor de Isótopos de Alto Flujo.
Los neutrones son herramientas ideales para identificar y caracterizar el magnetismo en casi cualquier material, porque ellos, como electrones, exhiben un flujo de magnetismo llamado "espín".
"Descubrimos dos tipos de órdenes ferromagnéticos y encontramos la prueba experimental de la ruptura de la simetría de inversión del tiempo, probablemente creando un estado de Weyl en Sr1-yMn1-zSb2. Esto hace que este sistema sea un candidato maravilloso para estudiar el efecto de la ruptura de la simetría de inversión del tiempo en la estructura de la banda electrónica. "dijo Zhang.
