El Premio Nobel de Física en 2016 fue otorgado por la teoría de la materia topológica. Los aislantes topológicos son nuevos materiales con propiedades electrónicas especiales y son de gran interés fundamental y orientado a las aplicaciones. Sin embargo, Los físicos han luchado con un rompecabezas de diez años en el que los resultados de los dos mejores métodos para sondear sus estados electrónicos no concuerdan. Investigadores de Amsterdam, incluidos dos candidatos a doctorado financiados por la FOM, con colaboradores en Francia, Suiza y Alemania ahora saben exactamente por qué.

Los aislantes topológicos son algo extraño. La mayor parte de dicho cristal es aislante y no puede transportar una corriente eléctrica, sin embargo, las superficies de ese mismo cristal son conductoras. Estos nuevos materiales son de gran interés fundamental, pero también son muy prometedores para una serie de aplicaciones futuras en tipos especiales de electrónica y en computación cuántica. por lo que son objeto de un importante esfuerzo de investigación en física. La importancia de los materiales topológicos se subrayó el año pasado con la concesión del Premio Nobel por el desarrollo de teorías fundamentales que establecen la existencia y el comportamiento de la materia topológica.

Hay dos métodos experimentales poderosos para examinar el comportamiento de los electrones, las partículas que transportan la corriente eléctrica, en la superficie de un aislante topológico. El primero implica enviar una corriente a través del sistema en presencia de un campo magnético muy grande, y se conoce como magnetotransporte. El segundo implica el uso de un haz de luz ultravioleta para examinar la superficie del cristal. En este caso, la energía de una partícula de luz puede ser absorbida por un electrón y de esta forma los que están cerca de la superficie pueden escapar del cristal y ser analizados. Los investigadores pueden aprovechar este efecto fotoeléctrico para recopilar información valiosa sobre las propiedades electrónicas en la superficie de un aislante topológico. el lugar donde está toda la acción. Este tipo de experimento se llama fotoemisión.

Desde hace más de 10 años, Los investigadores han estado desconcertados sobre por qué estos dos experimentos están completamente en desacuerdo cuando se aplican a aislantes topológicos. Ahora, investigadores de Amsterdam, incluidos dos candidatos a doctorado financiados por la FOM, junto con colaboradores en Francia, Suiza y Alemania vislumbraron recientemente las razones. ¿La hipótesis? El primer destello de luz ultravioleta, necesario para registrar los datos de fotoemisión, sí mismo altera la estructura electrónica en la superficie.

La cantidad que describe y explica cómo los electrones en un sólido hacen sus cosas se llama estructura de bandas. Puede verse como una especie de red de carreteras, que traza las combinaciones permitidas de energía y longitud de onda que las ondas de electrones pueden tener en el cristal. Un corte a través de una estructura de banda de este tipo se puede mostrar fácilmente como una imagen 2-D como las de las imágenes que se muestran aquí. Este tipo de instantánea contiene información valiosa sobre la estructura electrónica de un aislante topológico, y en particular la ubicación energética del punto de cruce de las dos ramas visibles en la estructura de la banda. Esta característica especial, resaltada con un marcador de color en las imágenes, se denomina punto de Dirac, llamado así por el físico teórico Paul Dirac, cuya teoría describió por primera vez electrones como los de la superficie de un aislante topológico.

Normalmente, grabar una imagen de estructura de banda cuesta un minuto o más. Pero aquí los investigadores trabajaron duro para reducir esto a solo un segundo, y la imagen de la izquierda fue el resultado. El punto de Dirac (círculo verde) tiene una energía que coincide con la de los datos de magnetotransporte. Después de solo 20 segundos de exposición a los rayos UV, el marcador rojo en la imagen de la derecha muestra que el punto de Dirac, y el resto de la estructura de la banda se ha deslizado hacia abajo en energía, lejos del valor encontrado en los experimentos de transporte.

Ya se sabía que las moléculas que se adhieren a la superficie del aislante topológico pueden provocar un desplazamiento hacia abajo del punto de Dirac. Estos nuevos experimentos consiguieron desenredar el efecto de las moléculas en la superficie y el de la luz ultravioleta. para que los investigadores pudieran demostrar que el primer destello de luz de hecho juega el papel de la pistola de arranque, desencadenando un rápido deslizamiento hacia abajo del punto de Dirac.

Estos nuevos resultados son muy útiles, ya que la fotoemisión es un experimento muy importante en el campo de los materiales topológicos. Pero, ¿quieren decir que la fotoemisión está lista para la basura? ¡De lo contrario! Ahora que se comprende correctamente el efecto de la luz ultravioleta, Se podrían desarrollar protocolos sobre cómo se puede utilizar la fotoemisión de la manera correcta en futuros estudios de aislantes topológicos. Los resultados de la fotoemisión y las pautas para mejorar los procedimientos experimentales se publicaron esta semana en la principal revista de física (de acceso abierto), Revisión física X .