Investigadores de Princeton, Yale, y la Universidad de Zurich han propuesto un enfoque basado en la teoría para caracterizar una clase de metales que poseen propiedades electrónicas exóticas que podrían ayudar a los científicos a encontrar otras, materiales dotados de forma similar.

Publicado en la revista Revisión física X , el estudio describió una nueva clase de metales basada en su simetría y una clasificación matemática conocida como número topológico, que es predictivo de propiedades electrónicas especiales. Los materiales topológicos han atraído un intenso interés de investigación desde principios de la década de 2000, que culminó con el Premio Nobel de Física otorgado el año pasado a tres físicos, incluyendo al profesor de Princeton F. Duncan Haldane, por sus descubrimientos teóricos en esta área.

"La clasificación topológica es una forma muy general de ver las propiedades de los materiales, "dijo Lukas Muechler, estudiante de posgrado de Princeton en el laboratorio del profesor Roberto Car y autor principal del artículo.

Una forma popular de explicar esta clasificación matemática abstracta involucra los productos del desayuno. En clasificación topológica, las rosquillas y las tazas de café son equivalentes porque ambas tienen un orificio y pueden deformarse suavemente entre sí. Mientras tanto, las rosquillas no pueden deformarse en magdalenas, lo que las hace desiguales. El número de agujeros es un ejemplo de un invariante topológico que es igual para la rosquilla y la taza de café, pero distingue entre el donut y el muffin.

"La idea es que no te preocupes por los detalles. Siempre que dos materiales tengan las mismas invariantes topológicas, podemos decir que son topológicamente equivalentes, " él dijo.

El interés de Muechler y sus colegas en la clasificación topológica de esta nueva clase de metales fue provocado por un descubrimiento peculiar en el laboratorio vecino del profesor Robert Cava de Princeton. Mientras buscaba superconductividad en un cristal llamado WTe2, En cambio, el laboratorio de Cava descubrió que el material podría aumentar continuamente su resistencia en respuesta a campos magnéticos cada vez más fuertes, una propiedad que podría usarse para construir un sensor de campos magnéticos.

El origen de esta propiedad fue, sin embargo, misterioso. "Este material tiene propiedades muy interesantes, pero no había ninguna teoría al respecto, "Dijo Muechler.

Los investigadores primero consideraron la disposición de los átomos en el cristal WTe2. Los patrones en la disposición de los átomos se conocen como simetrías, y caen en dos clases fundamentalmente diferentes, simmórficas y no simmórficas, que conducen a profundas diferencias en las propiedades electrónicas, como el transporte de corriente en un campo electromagnético.

Mientras que WTe2 se compone de muchas capas de átomos apilados unos sobre otros, El equipo de Car descubrió que una sola capa de átomos tiene una simetría no simmórfica particular, donde la disposición atómica no cambia en general si primero se gira y luego se traslada por una fracción del período de la red (ver figura).

Habiendo establecido la simetría, los investigadores caracterizaron matemáticamente todos los estados electrónicos posibles que tienen esta simetría, y clasificó aquellos estados que pueden deformarse suavemente entre sí como topológicamente equivalentes, al igual que una rosquilla se puede deformar en una taza.

De esta clasificación, descubrieron que WTe2 pertenece a una nueva clase de metales a los que acuñaron metales topológicos no simmórficos. Estos metales se caracterizan por tener un número de electrones diferente al de los metales no simmórficos que se han estudiado previamente.

En metales topológicos no simmórficos, los electrones portadores de corriente se comportan como partículas relativistas, es decir, partículas que viajan casi a la velocidad de la luz. Esta propiedad no es tan susceptible a las impurezas y defectos como los metales ordinarios, haciéndolos candidatos atractivos para los dispositivos electrónicos.

La clasificación topológica abstracta también llevó a los investigadores a sugerir algunas explicaciones para algunas de las propiedades electrónicas sobresalientes del WTe2 a granel, lo más importante es su perfecta compensación, lo que significa que tiene el mismo número de huecos y electrones. A través de simulaciones teóricas, los investigadores encontraron que esta propiedad podría lograrse en el apilamiento cristalino tridimensional de las monocapas de WTe2, que fue un resultado sorprendente, Muechler dijo.

"Por lo general, en la investigación teórica no hay muchas cosas inesperadas, pero esto acaba de aparecer ", dijo." Esta clasificación abstracta nos llevó directamente a explicar esta propiedad. En este sentido, es una forma muy elegante de ver este compuesto y ahora puede comprender o diseñar nuevos compuestos con propiedades similares ".

Experimentos recientes de fotoemisión también han demostrado que los electrones en WTe2 absorben los fotones de la mano derecha de manera diferente a como lo harían con los fotones de la mano izquierda. La teoría formulada por los investigadores mostró que estos experimentos de fotoemisión en WTe2 pueden entenderse en función de las propiedades topológicas de esta nueva clase de metales.

En estudios futuros, los teóricos quieren probar si estas propiedades topológicas también están presentes en capas atómicamente delgadas de estos metales, que podría exfoliarse de un cristal más grande para hacer dispositivos electrónicos. "El estudio de este fenómeno tiene grandes implicaciones para la industria electrónica, pero todavía está en sus años de infancia, "Dijo Muechler.