Esta es la historia de un material único, hecho de un solo compuesto, conduce electrones de diferentes maneras en sus diferentes superficies y no conduce en absoluto en su medio. También es la historia de tres grupos de investigación:dos en el Instituto de Ciencias Weizmann y uno en Alemania, y el vínculo único que se ha formado entre ellos.

El material pertenece a un grupo de materiales conocidos como aislantes topológicos, descubierto hace una década y media. Estos materiales son conductores en sus superficies y aislantes en su interior. Pero las dos propiedades son inseparables:cortar el material, y la nueva superficie estará conduciendo, la mayor parte seguirá siendo aislante.

Hace unos cinco años, El Dr. Nurit Avraham comenzaba como científico de planta en el nuevo grupo del Dr. Haim Beidenkopf del Departamento de Física de la Materia Condensada del Instituto. Alrededor de ese tiempo ella y Beidenkopf conocieron al profesor Binghai Yan cuando tuvo su primera visita científica al Instituto Weizmann. En aquel momento, Yan trabajaba como líder de grupo junior en el grupo de la profesora Claudia Felser, una científica de materiales que estaba desarrollando nuevos tipos de materiales topológicos en su laboratorio en el Instituto Max Planck de Física Química de Sólidos en Dresde. Beidenkopf y su grupo se especializan en clasificar y medir estos materiales en la escala de átomos individuales y las trayectorias de electrones individuales, mientras Yan recurría a la teoría, prediciendo cómo deberían comportarse estos materiales y elaborando los modelos matemáticos que explican su comportamiento inusual.

Avraham y Beidenkopf estaban interesados ​​en descubrir las propiedades de un tipo especial de aislante topológico en el que la estructura química está organizada en capas. ¿Cómo afectarían las capas a la forma en que se conducen los electrones sobre la superficie del material? Teóricamente Se esperaba que las capas de apilamiento de aislante topológico 2-D formaran un aislante topológico 3-D en el que algunas de las superficies son conductoras y otras son aislantes. Yan sugirió que trabajaran con un nuevo material predicho por él y luego desarrollado en el laboratorio de Felser. Pronto, los grupos de Weizmann y Max Planck empezaron a colaborar.

Avraham dirigió el proyecto, obtener muestras del material del laboratorio de Felser, realizar las mediciones, y trabajar con Yan para ver si las predicciones teóricas se confirmarían experimentalmente. A medida que la colaboración se profundizó, Beidenkopf y Avraham consiguieron que la Facultad de Física volviera a invitar a Yan al Instituto, y esta visita finalmente llevó a Yan a dejar Alemania y trasladar a su familia a Rehovot para ocupar un puesto en el Departamento de Física de la Materia Condensada del Instituto. "Esa decisión fue un punto de inflexión que me pondría en mi actual trayectoria profesional, "dice Yan.

En los próximos años Beidenkopf, Avraham, Yan y Felser colaborarían en múltiples proyectos de investigación, explorar las propiedades de varias clases de materiales topológicos. Pero al comprender este material en particular, un compuesto de bismuto, telurio y yodo, se convertiría en un proyecto a largo plazo. Para empezar, Yan analizó la estructura de bandas del material; en otras palabras, los estados a los electrones se les "permite" habitar. Cuando las bandas se cruzan en su mayor parte en un estado llamado inversión de banda, evitan que los electrones se muevan por el interior, pero permíteles moverse en la superficie. Esta "proyección" de un estado que surge en la mayor parte de un material sobre la superficie es lo que da a los materiales topológicos sus propiedades especiales.

Avraham y Beidenkopf trabajaron con muestras que habían sido escindidas, exponiendo superficies frescas fuera de la estructura en capas. Utilizaron un microscopio de efecto túnel (STM) en su laboratorio para rastrear la densidad de electrones en las diferentes partes del material. La teoría predijo que las mediciones de la superficie revelarían un material que se comporta como un aislante topológico débil, siendo así metálico en los bordes y aislante en las superficies superior e inferior. Los aislantes topológicos débiles son una clase de materiales topológicos que se habían predicho previamente, pero aún no probado experimentalmente, por lo que el grupo esperaba descubrir propiedades tan características en las superficies de los bordes. Los investigadores hicieron, Por supuesto, encuentran que el material actuó como un aislante topológico débil en sus lados hendidos. Pero en la parte superior e inferior de sus muestras, el grupo encontró evidencia que indica un fuerte aislante topológico, en lugar del aislante que se había predicho.

¿Podría este material ser no solo aislante y conductor al mismo tiempo, pero conduzca de dos maneras diferentes? Mientras los investigadores continuaban experimentando, probar el material con diferentes métodos y confirmar sus resultados originales, continuaron confundiéndose con Yan sobre los extraños resultados. En un punto, dice Abraham, incluso midieron un nuevo lote de muestras que fueron cultivadas de forma independiente por la profesora junior Anna Isaeva y el Dr. Alexander Zeugner en la Technische Universitaet Dresden, solo para asegurarse de que los resultados fueran generales y no una propiedad accidental de un lote particular de muestras.

Parte de su eventual avance, dice Yan, provino de un artículo de investigación teórico publicado por otro grupo de física que conjeturaba cómo podría funcionar un material tan dual. Los materiales topológicos a veces se clasifican según su simetría, una propiedad de la estructura atómica del material. Los científicos buscaron lugares en las superficies donde dicha simetría se rompería debido a fallas o irregularidades en la superficie. cuales, dispersando electrones, afectaría las propiedades en ese lugar y resaltaría el tipo de simetría que protege cada estado topológico.

Finalmente, la teoría y el experimento se unieron para mostrar, en un artículo publicado en Materiales de la naturaleza , que el material es, Por supuesto, dos tipos diferentes de aislante topológico en uno. Las capas expuestas de las superficies laterales de la hendidura crean "bordes escalonados" que canalizan los electrones en ciertos caminos. Mientras que los lados están protegidos tanto por inversión de tiempo como por simetría de traslación, las partes superiores e inferiores están protegidas por una simetría de espejo cristalino, dando lugar a un estado similar al metal en el que los electrones pueden moverse.

Si bien esta combinación dos en uno dificulta la clasificación del material topológicamente, uno de los principales objetivos de tales mediciones, los investigadores creen que otros materiales topológicos nuevos podrían llegar a tener propiedades tan duales. Eso abre la posibilidad de que los materiales de ingeniería tengan varias propiedades eléctricas deseadas, todo en uno.

"Técnicamente, el trabajo fue desafiante, pero la historia, sí mismo, resultó ser simple, "dice Yan.

"También es la historia de una gran amistad y lo que sucede cuando se puede tener una colaboración científica tan estrecha, "dice Avraham.

"Y todo comenzó con una pregunta sobre un tipo de material en particular, "añade Beidenkopf.