Un equipo internacional de investigadores ha creado una nueva estructura que permite ajustar las propiedades topológicas de tal manera que active o desactive estos comportamientos únicos. La estructura podría abrir posibilidades para nuevas exploraciones en las propiedades de los estados topológicos de la materia.

"Esta es una nueva y emocionante dirección en la investigación de la materia topológica, "dijo M. Zahid Hasan, profesor de física en la Universidad de Princeton e investigador del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley en California que dirigió el estudio, que fue publicado el 24 de marzo en la revista Avances de la ciencia . "Estamos diseñando nuevos estados topológicos que no ocurren naturalmente, abriendo numerosas posibilidades exóticas para controlar el comportamiento de estos materiales ".

La nueva estructura consta de capas alternas de topológico y normal, o trivial, aisladores, una arquitectura que permite a los investigadores encender o apagar el flujo de corriente a través de la estructura. La capacidad de controlar la corriente sugiere posibilidades para circuitos basados ​​en comportamientos topológicos, pero quizás lo más importante presenta una nueva estructura de red cristalina artificial para estudiar los comportamientos cuánticos.

Las teorías detrás de las propiedades topológicas de la materia fueron el tema del Premio Nobel de Física 2016 otorgado a F. Duncan Haldane de la Universidad de Princeton y a otros dos científicos. Una clase de materia son los aislantes topológicos, que son aislantes en el interior pero permiten que la corriente fluya sin resistencia en las superficies.

En la nueva estructura, las interfaces entre las capas crean una red unidimensional en la que pueden existir estados topológicos. Se puede pensar en la naturaleza unidimensional de la celosía como si se cortara el material y se retirara una rebanada muy fina, y luego mire el borde delgado de la rebanada. Esta red unidimensional se asemeja a una cadena de átomos artificiales. Este comportamiento es emergente porque surge solo cuando se apilan muchas capas juntas.

Al cambiar la composición de las capas, los investigadores pueden controlar el salto de partículas similares a electrones, llamados fermiones de Dirac, a través del material. Por ejemplo, al hacer que la capa de aislante trivial sea relativamente gruesa, todavía solo unos cuatro nanómetros, los fermiones de Dirac no pueden viajar a través de ella, haciendo de toda la estructura un aislante trivial. Sin embargo, Si la capa de aislante trivial es delgada, alrededor de un nanómetro, los fermiones de Dirac pueden hacer un túnel de una capa topológica a la siguiente.

Para dar forma a los dos materiales, el equipo de Princeton trabajó con investigadores de la Universidad de Rutgers dirigidos por Seongshik Oh, profesor asociado de física, que en colaboración con Hasan y otros mostraron en 2012 en un trabajo publicado en Cartas de revisión física que añadiendo indio a un aislante topológico, seleniuro de bismuto, hizo que se convirtiera en un aislante trivial. Antes de eso, el seleniuro de bismuto (Bi2Se3) fue identificado teórica y experimentalmente como un aislante topológico por el equipo de Hasan, que fue publicado en Naturaleza en 2009.

"Habíamos demostrado que, dependiendo de la cantidad de indio que agregue, el material resultante tenía esta agradable propiedad sintonizable de trivial a aislante topológico, "Oh dijo, refiriéndose al estudio de 2012.

Los estudiantes de posgrado Ilya Belopolski de Princeton y Nikesh Koirala de Rutgers combinaron dos técnicas de vanguardia con el desarrollo de nueva instrumentación y trabajaron juntos en la superposición de estos dos materiales, seleniuro de bismuto y seleniuro de bismuto de indio, para diseñar la estructura óptima. Uno de los desafíos fue lograr que las estructuras de celosía de los dos materiales coincidieran para que los fermiones de Dirac pudieran saltar de una capa a la siguiente. Belopolski y Suyang Xu trabajaron con colegas de la Universidad de Princeton, El Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley y varias instituciones utilizarán espectroscopía de fotoemisión con resolución de ángulo de alta resolución para optimizar el comportamiento de los fermiones de Dirac en función de un ciclo de retroalimentación de crecimiento a medición.

Aunque no existen naturalmente estados topológicamente similares, los investigadores señalan que se puede encontrar un comportamiento análogo en una cadena de poliacetileno, que es un modelo conocido de comportamiento topológico unidimensional como se describe en el modelo teórico de 1979 de Su-Schrieffer-Heeger de un polímero orgánico.

La investigación presenta una incursión en la fabricación de materiales topológicos artificiales, Dijo Hasan. "En naturaleza, sea ​​lo que sea un material, aislante topológico o no, estás atrapado con eso, "Dijo Hasan." Aquí estamos ajustando el sistema de manera que podamos decidir en qué fase debe existir; podemos diseñar el comportamiento topológico ".

La capacidad de controlar el viaje de fermiones de Dirac similares a la luz podría llevar a los futuros investigadores a aprovechar el flujo de corriente sin resistencia que se observa en los materiales topológicos. "Estos tipos de heteroestructuras topológicamente ajustables son un paso hacia las aplicaciones, hacer dispositivos donde se puedan utilizar efectos topológicos, "Dijo Hasan.

El grupo Hasan planea explorar más formas de ajustar el grosor y explorar los estados topológicos en relación con el efecto Hall cuántico. superconductividad, magnetismo, y estados fermiónicos de la materia Majorana y Weyl.