Mientras usa rayos X generados por la fuente de luz avanzada (ALS), una instalación de sincrotrón en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía (Berkeley Lab), para estudiar un material termoeléctrico que contiene bismuto que puede convertir el calor en electricidad, El físico M. Zahid Hasan de la Universidad de Princeton vio que algo estaba interfiriendo con la visión anticipada del comportamiento de los electrones dentro del material.

Saber cómo se mueven los electrones dentro de este material se buscó como clave para descifrar cómo funcionaba, por lo que esta interferencia, que él y su equipo observaron hace más de una década durante un experimento que empleaba una técnica basada en rayos X denominada ARPES (espectroscopía de fotoemisión resuelta en ángulo), fue un problema ... al principio.

"Desde el 2004, Participé en esta investigación en busca de una mejor comprensión de los materiales termoeléctricos a base de bismuto, entre otras cosas, "dijo Hasan.

Alrededor de 2007, después de completar más experimentos de rayos X en el ALS y otros sincrotrones, y después de obtener cierta comprensión de la teoría relacionada con las observaciones de su equipo, A Hasan le quedaría claro que esta obstrucción era en realidad un descubrimiento:uno que provocaría una revolución en la investigación de materiales que continúa en la actualidad, y eso eventualmente podría conducir a nuevas generaciones de electrónica y tecnologías cuánticas.

La investigación de la materia topológica es ahora un campo de investigación floreciente en la ALS, con varios miembros del personal dedicados a respaldar las técnicas de rayos X que se centran en gran medida en sus propiedades.

"Desde 2005, algo en la superficie me estaba molestando bastante, "dijo Hasan, un profesor de física de Princeton que a finales de 2016 se convirtió en miembro de la facultad visitante en la División de Ciencias de Materiales de Berkeley Lab y profesor visitante Miller en UC Berkeley. "No pude deshacerme de los estados de la superficie".

De vuelta en Princeton, Hasan entabló una conversación con un compañero profesor de física, Duncan Haldane, y también habló con Charles Kane, profesor de física en la vecina Universidad de Pensilvania, por su conocimiento teórico colectivo sobre los efectos superficiales que estaba viendo en algunos materiales que contienen bismuto. "En ese momento no estaba al tanto de las predicciones teóricas".

Discutieron el trabajo teórico, algunos de ellos se remontan a varias décadas, que había explorado estados "topológicos" extraños y resistentes en los que los electrones podían moverse por la superficie de un material delgado casi sin resistencia, como en un superconductor tradicional pero con un mecanismo diferente.

El trabajo teórico proporcionó pocas pistas sobre cómo encontrar los efectos en los materiales que exhiben este fenómeno. aunque. Así que Hasan emprendió un camino que cruzaba los campos de la teoría cuántica, partículas fisicas, y matemáticas complejas.

"Tuve que traducir todas las matemáticas abstractas en estos experimentos, ", dijo." Fue como traducir de un idioma extranjero ".

Avancemos hasta octubre de 2016, y esta vez Haldane estaba describiendo sus primeros trabajos teóricos durante una conferencia de prensa del Premio Nobel. Haldane compartió el Premio Nobel de Física 2016 con David Thouless de la Universidad de Washington (ex investigador postdoctoral en Berkeley Lab), y J. Michael Kosterlitz de la Universidad de Brown por su trabajo en "descubrimientos teóricos de las transiciones de fase topológica y las fases topológicas de la materia".

Haldane había dicho en el momento del anuncio del Premio Nobel:"Puse en el primer documento que es poco probable que esto sea algo que alguien pueda hacer". Su trabajo, él dijo, era un "durmiente" que "se sentó como un modelo de juguete interesante durante mucho tiempo, nadie sabía muy bien qué hacer con él".

Lo que ayudó a dar vida a ese "modelo de juguete" fueron las teorías posteriores de Kane y sus colaboradores, e innovadores estudios ARPES en ALS y otros sincrotrones que sondearon directamente estados topológicos exóticos en algunos materiales.

Los sincrotrones como el ALS tienen docenas de líneas de luz que producen rayos X enfocados y otros tipos de rayos de luz para una variedad de experimentos que exploran las propiedades de materiales exóticos y otras muestras a escalas diminutas. y ARPES proporciona una ventana a las propiedades de los electrones de los materiales.

El Comité Nobel, en sus materiales de apoyo al premio, había citado los primeros experimentos del equipo de Hasan en la ALS sobre materiales que presentaban fases de aislante topológico. Un aislante topológico actúa como un conductor eléctrico en la superficie y un aislante (sin flujo eléctrico) en el interior.

Zahid Hussain, diputado de división en el ALS dijo, "Hasan es un científico excepcional con un profundo conocimiento tanto de la teoría como de los experimentos. Él es la razón por la que esto se hizo visible experimentalmente. Un experimento hizo eso".

El trabajo de Hasan proporcionó una demostración temprana de un aislante topológico 3-D, por ejemplo.

En estos materiales, el movimiento de los electrones es relativamente robusto, y es inmune a muchos tipos de impurezas y deformidades. Los investigadores han encontrado ejemplos de propiedades topológicas en materiales incluso a temperatura ambiente.

Esta es una ventaja crítica sobre los llamados superconductores de alta temperatura, que debe enfriarse a temperaturas extremas para lograr un flujo de electrones casi libre de resistencia.

Con materiales topológicos, los electrones exhiben patrones únicos en una propiedad conocida como espín de electrones que es análoga a la aguja de una brújula que apunta hacia arriba o hacia abajo, y esta propiedad puede cambiar según la trayectoria y la posición del electrón en un material.

Una posible aplicación futura de las propiedades de espín de los electrones en materiales topológicos es la espintrónica, un campo emergente que busca controlar el giro bajo demanda para transmitir y almacenar información, muy parecido a los ceros y unos en la memoria de la computadora tradicional.

Spin también podría aprovecharse como portadores de información en computadoras cuánticas, que posiblemente podría realizar exponencialmente más cálculos de un cierto tipo en un tiempo más corto que los superordenadores convencionales.

Jonathan Denlinger, un científico de planta en el Grupo de Apoyo Científico de la ALS, dijo que los estudios innovadores sobre materiales con comportamiento topológico llevaron a un rápido cambio de enfoque en las propiedades de la superficie de los materiales. Históricamente, los investigadores habían estado más interesados ​​en los electrones dentro de la "masa, "o en el interior de los materiales.

El grupo de Hasan utilizó tres líneas de luz ALS:MERLIN, 12.0.1, y 10.0.1 — en estudios pioneros de ARPES sobre materia topológica. Hasan fue colíder de la propuesta que llevó a la construcción de MERLIN a principios de la década de 2000.

Denlinger, y los científicos del personal de ALS Alexei Fedorov y Sung-Kwan Mo, trabajar en estas líneas de luz ALS, que se especializan en ARPES y una variante relacionada llamada espectroscopia de fotoelectrones resuelta por espín. Las técnicas pueden proporcionar información detallada sobre cómo viajan los electrones en los materiales y también sobre la orientación de espín de los electrones.

Las líneas de luz ARPES en ALS siguen teniendo una gran demanda para la investigación de materia topológica. Fedorov dijo:"Estos días, casi todas las propuestas enviadas a nuestra línea de luz de una forma u otra tratan con materia topológica ".

La búsqueda de descubrimientos de nueva materia topológica en el ALS también se verá impulsada por una línea de luz conocida como MAESTRO (Observatorio de estructuras microscópicas y electrónicas) que se abrió a los usuarios el año pasado y ayudará a visualizar exóticas estructuras ordenadas formadas en algunos materiales topológicos.

"ALS-U, una actualización planificada del ALS, debería mejorar y mejorar los estudios de materia topológica utilizando el ALS, "Mo dijo." Nos permitirá enfocarnos en un punto muy pequeño, "que podría revelar más detalles sobre el comportamiento de los electrones de la materia topológica.

El rendimiento mejorado de los rayos X podría ayudar a identificar algunos materiales topológicos que anteriormente se pasaron por alto. y para distinguir y clasificar mejor sus propiedades, Dijo Hasan.

Los primeros trabajos de Hasan en materia topológica, incluidos los aislantes topológicos, lo llevó a la detección de una partícula sin masa previamente teorizada conocida como el fermión de Weyl en semimetales topológicos, y ahora está ideando un experimento relacionado que espera imite el período del universo temprano en el que las partículas comenzaron a adquirir masa.

Denlinger, Fedorov, y Mo se están preparando para más estudios de materia topológica, y están llegando a posibles colaboradores en Berkeley Lab y la comunidad científica global.

Los materiales a nanoescala son muy prometedores para aplicaciones de materiales topológicos, y termoeléctricos, los mismos materiales que pueden transferir calor a electricidad y viceversa, y eso llevó a la primera realización de materia topológica en experimentos de rayos X; debería ver ganancias de rendimiento a corto plazo gracias al ritmo febril de I + D en el campo, Fedorov señaló.

Hasan, también, dijo que está entusiasmado con el progreso en el campo. "Estamos en medio de una revolución topológica en física, con seguridad, " él dijo.