Unión WTe2 Josephson:las losas verdes son capas de WTe2, las barras naranjas son electrodos de niobio, y las líneas rojas y azules indican que los electrodos giran hacia arriba y hacia abajo que se desplazan sobre dos bisagras de las muestras. Crédito:Gil-Ho Lee (POSTECH)
Durante la ultima decada, el campo de la física de la materia condensada ha experimentado una edad de oro con el descubrimiento de nuevos materiales y propiedades, y tecnologías relacionadas que se están desarrollando a una velocidad vertiginosa gracias a la llegada de la física topológica. La física topológica despegó en 2008 con el descubrimiento del aislante topológico, un tipo de material que es eléctricamente aislante a granel pero metálico en la superficie.
Desde entonces, Los científicos han encontrado fases topológicas más exóticas, incluidos semimetales de Dirac, Semicimetales de Weyl y aislantes axiónicos. Pero más recientemente, Se han predicho teóricamente materiales que son aislantes a granel en superficies y bordes, pero que son metálicos solo en las bisagras o en las esquinas. Estos nuevos materiales extraños llamados aislantes topológicos de orden superior son extremadamente raros y solo el elemento bismuto se ha probado experimentalmente que posiblemente pertenezca a esta categoría hasta ahora.
¿Qué es un estado de bisagra de todos modos? Imagina una caja, más larga y más ancha que alta, con solapas en la parte superior e inferior que puedes abrir para poner cosas dentro. El espacio dentro de la caja se llamaría volumen. La mayoría de los materiales que conducen la electricidad lo hacen a granel. Sin embargo, en aisladores topológicos, la mayor parte de la caja es eléctricamente aislante, pero la parte superior e inferior (las solapas) son metálicas y mantienen el estado de la superficie. Para algunos materiales, la mayor parte, la parte superior e inferior de la caja son aislantes pero los lados (bordes) son metálicos. Estos tienen estados de borde que se han demostrado en aisladores topológicos magnéticos. Finalmente, en aisladores topológicos de orden superior, la mayor parte, cima, la parte inferior y los lados de la caja son aislantes, pero las bisagras y las esquinas de la caja son metálicas y tienen diferentes estados de bisagras o esquinas. También se ha predicho que estos estados de bisagra existen en semimetales topológicos como el bismuto. Se espera que los estados de bisagra en particular sean prometedores para el estudio de la espintrónica porque la dirección de su propagación está ligada a su espín, así como para los fermiones de Majorana que se están investigando activamente por sus aplicaciones a la computación cuántica tolerante a fallas.
Ahora, un equipo internacional de científicos de los Estados Unidos, Hong Kong, Alemania, y Corea del Sur han identificado un nuevo aislante topológico de orden superior. Es un dicalcogenuro de metal de transición bidimensional (TMDC) en capas llamado WTe2. Este es un material famoso en la física de la materia condensada que muestra una variedad de propiedades exóticas, desde magnetorresistencia titánica hasta efecto de sala de espín cuantificado. Fue el primer ejemplo de un semimetal Weyl Tipo II que se puede convertir en dispositivos que tienen solo una capa de espesor y son exfoliables como el grafeno. WTe 2 También ha demostrado superconducir bajo presión, lo que significa que los electrones forman pares y una supercorriente viaja a través de él sin ninguna resistencia.
Añadiendo a este carnaval de propiedades, físicos teóricos en 2019 previeron WTe 2 y su material hermano MoTe 2 ser aislantes topológicos de orden superior con estados de bisagra metálicos. Desde entonces, muchos equipos de investigación de todo el mundo han buscado evidencia de estos estados exóticos en WTe. 2 y MoTe 2 y algunos resultados recientes han demostrado que hay estados de conducción extra en sus bordes. Pero los investigadores no pudieron identificar si estos eran realmente estados de borde o los estados de bisagra muy buscados.
En un estudio publicado en Materiales de la naturaleza el 6 de julio 2020, el equipo dirigido por Kin Chung Fong (Raytheon BBN Technologies), Mazhar N. Ali (Instituto Max Plank de Física de Microestructuras y también Material Mind Inc.), Kam Tuen Law (Universidad de Ciencia y Tecnología de Hong Kong) y Gil-Ho Lee (Universidad de Ciencia y Tecnología de Pohang, y el Centro de Física Teórica de Asia Pacífico) adoptó un nuevo enfoque al utilizar las uniones de Josephson para resolver espacialmente el flujo de supercorriente y demostrar que WTe 2 de hecho, parece tener estados de bisagra y ser un aislante topológico de orden superior (Enlace al artículo).
Las uniones de Josephson son un dispositivo y una herramienta increíblemente importantes en física. Se utilizan en una variedad de aplicaciones tecnológicas, incluidas las máquinas de imágenes por resonancia magnética (MRI), así como en qubits, que son los componentes básicos de las computadoras cuánticas. Estas uniones se forman cuando dos electrodos superconductores como el niobio (Nb) están conectados por un puente no superconductor como un WTe de alta calidad. 2 en un dispositivo de película fina. Cuando la temperatura baje lo suficiente, la supercorriente que se inyecta desde un electrodo Nb puede viajar a través del puente sin resistencia al otro electrodo Nb. Por lo tanto, el dispositivo general muestra una resistencia cero y se dice que es superconductor.
Sin embargo, no se puede enviar una cantidad infinita de supercorriente a través del puente mientras se conserva la superconductividad. Cuando la corriente inyectada excede una corriente crítica, la unión se convierte en un estado normal y exhibe una resistencia finita. El efecto Josephson establece que, en función del campo magnético aplicado, the critical current will oscillate in a Fraunhofer pattern between high and low values due to the changing phase of the superconducting wave-function across the sample.
The team realized that hidden in this oscillation is location information of the supercurrent while it travels in the sample. By taking an inverse Fourier transform of the Fraunhofer pattern, the researchers were able to visualize the supercurrent flow in the sample and found that it indeed travels on the sides of the WTe 2 dispositivo. Sin embargo, this was not enough to distinguish the edge states from the hinge states.
As shown in the figure below, due to a quirk in the symmetry-based origin of the hinge states, not all hinges are identical on the WTe 2 muestra. Por ejemplo, there are metallic hinge states on top left and bottom right hinges on the sample but not on the top right or bottom left. This is different from an edge state, which would simply be existing on the entirety of the left and right sides of the sample. Regarding this, Kin Chung Fong of Raytheon BBN Technologies explains, "We used this difference to our advantage. By connecting superconducting electrodes on just the top half of the sample and not the bottom half, we realized we would see a different Fraunhofer pattern if hinge states existed and not edge states." He further commented, "In this configuration, electrodes would connect to only one of the hinge states (i.e. top left and not bottom right), which would show a distinct Fraunhofer pattern. If there were edge states, this configuration wouldn't be any different than connecting to both the bottom and top halves of the sample and the Fraunhofer would look the same." When they carried out this challenging experiment, they observed the hallmark of the hinge state, not the edge state.
"But that's not all. WTe 2 is a fairly low-symmetry orthorhombic material with high crystalline anisotropy. The different directions in the crystal are not equivalent and we also theorized and confirmed that the hinge states existing in WTe 2 aren't all equivalent either. In some directions, they mix into the bulk while in other directions they don't, " explained Kam Tuen Law at Hong Kong University of Science and Technology.
"There is a variety of exciting physics to be explored in these compounds in the near future now that hinge states have been found in WTe 2 , " remarked Gil Ho Lee of Pohang University of Science and Technology. He added, "The possibility for dissipationless interconnections, true 1D superconducting nano-wires and spintronics devices, topological superconductivity, Majorana fermions and correspondingly topological quantum computers are all on the horizon."
Mazhar N. Ali at the Max Plank Institute of Microstructure Physics explained, "WTe 2 may be the second material shown to host hinge states, but it is very different from the other candidate, bismuth. Being 2-D, WTe 2 is easily fabricable into nano-devices with controlled surfaces, and can be layered on top of other 2-D materials in heterostructures and even on top of itself when slightly twisted to form a Moire superlattice." He added, "Its sister material MoTe 2 is expected to exhibit the same hinge states but it is an intrinsic superconductor at low temperatures." He concludes, "How can these hinge states be modified, controlled, and used? There are a lot of exciting research opportunities ahead."
