Un motivo de la cestería japonesa conocido como patrón kagome ha preocupado a los físicos durante décadas. Las cestas de Kagome suelen estar hechas de tiras de bambú tejidas en un patrón altamente simétrico de entrelazado, triángulos que comparten esquinas.

Si se pudiera hacer que un metal u otro material conductor se pareciera a un patrón kagome a escala atómica, con átomos individuales dispuestos en patrones triangulares similares, en teoría, debería exhibir propiedades electrónicas exóticas.

En un artículo publicado hoy en Naturaleza , físicos del MIT, Universidad Harvard, y el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley informan que por primera vez han producido un metal kagome, un cristal conductor de electricidad, hecho de capas de átomos de hierro y estaño, con cada capa atómica dispuesta en el patrón repetitivo de una red de kagome.

Cuando fluyeron una corriente a través de las capas de kagome dentro del cristal, los investigadores observaron que la disposición triangular de los átomos inducía extraños, comportamientos de tipo cuántico en la corriente que pasa. En lugar de fluir directamente a través de la celosía, los electrones en cambio se desviaron, o doblado hacia atrás dentro de la celosía.

Este comportamiento es un primo tridimensional del llamado efecto Hall cuántico, en el que los electrones que fluyen a través de un material bidimensional exhibirán un "quiral, estado topológico, "en el que se doblan en apretado, caminos circulares y fluyen a lo largo de los bordes sin perder energía.

"Al construir la red kagome de hierro, que es inherentemente magnético, este comportamiento exótico persiste a temperatura ambiente y más alta, "dice Joseph Checkelsky, profesor asistente de física en el MIT. "Las cargas en el cristal no solo sienten los campos magnéticos de estos átomos, sino también una fuerza magnética puramente mecánica cuántica de la red. Esto podría conducir a una conducción perfecta, similar a la superconductividad, en las generaciones futuras de materiales ".

Para explorar estos hallazgos, el equipo midió el espectro de energía dentro del cristal, utilizando una versión moderna de un efecto descubierto por primera vez por Heinrich Hertz y explicado por Einstein, conocido como el efecto fotoeléctrico.

"Fundamentalmente, los electrones se expulsan primero de la superficie del material y luego se detectan en función del ángulo de despegue y la energía cinética, "dice Riccardo Comin, profesor asistente de física en el MIT. "Las imágenes resultantes son una instantánea muy directa de los niveles electrónicos ocupados por electrones, y en este caso revelaron la creación de partículas 'Dirac' casi sin masa, una versión cargada eléctricamente de fotones, los cuantos de luz ".

Los espectros revelaron que los electrones fluyen a través del cristal de una manera que sugiere que los electrones originalmente sin masa ganaron una masa relativista, similar a las partículas conocidas como fermiones masivos de Dirac. Teóricamente esto se explica por la presencia de los átomos de hierro y estaño constituyentes de la red. Los primeros son magnéticos y dan lugar a una "lateralidad, "o quiralidad. Estos últimos poseen una carga nuclear más pesada, produciendo un gran campo eléctrico local. A medida que fluye una corriente externa, percibe el campo del estaño no como un campo eléctrico sino como un campo magnético, y se inclina.

El equipo de investigación fue dirigido por Checkelsky y Comin, así como los estudiantes graduados Linda Ye y Min Gu Kang en colaboración con Liang Fu, el profesor asociado de física Biedenharn, y el postdoctorado Junwei Liu. El equipo también incluye a Christina Wicker '17, el científico investigador Takehito Suzuki del MIT, Felix von Cube y David Bell de Harvard, y Chris Jozwiak, Aaron Bostwick, y Eli Rotenberg del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley.

"No se requiere alquimia"

Los físicos han teorizado durante décadas que los materiales electrónicos podrían respaldar el comportamiento exótico de Quantum Hall con su carácter magnético inherente y su geometría de celosía. No fue hasta hace varios años que los investigadores progresaron en la realización de tales materiales.

"La comunidad se dio cuenta, ¿Por qué no hacer el sistema con algo magnético? y luego el magnetismo inherente del sistema tal vez podría impulsar este comportamiento, "dice Checkelsky, quien en ese momento trabajaba como investigador en la Universidad de Tokio.

Esto eliminó la necesidad de campos producidos en laboratorio, típicamente 1 millón de veces más fuerte que el campo magnético de la Tierra, necesario para observar este comportamiento.

"Varios grupos de investigación pudieron inducir un efecto Hall cuántico de esta manera, pero aún a temperaturas ultrafrías, unos pocos grados por encima del cero absoluto, el resultado del magnetismo con calzador en un material donde no se produjo de forma natural, "Dice Checkelsky.

En el MIT, En cambio, Checkelsky ha buscado formas de impulsar este comportamiento con "magnetismo intrínseco". Una idea clave, motivado por el trabajo de doctorado de Evelyn Tang PhD '15 y el profesor Xiao-Gang Wen, era buscar este comportamiento en el enrejado de kagome. Para hacerlo primer autor Vosotros molisteis hierro y estaño, luego calentó el polvo resultante en un horno, produciendo cristales a unos 750 grados Celsius, la temperatura a la que los átomos de hierro y estaño prefieren organizarse en un patrón similar a un kagome. Luego sumergió los cristales en un baño de hielo para permitir que los patrones de celosía se mantuvieran estables a temperatura ambiente.

"El patrón de kagome tiene grandes espacios vacíos que pueden ser fáciles de tejer a mano, pero a menudo son inestables en sólidos cristalinos que prefieren el mejor empaque de átomos, “Dice Ye.” El truco aquí consistía en llenar estos vacíos con un segundo tipo de átomo en una estructura que fuera al menos estable a altas temperaturas. Darse cuenta de estos materiales cuánticos no necesita alquimia, sino ciencia de los materiales y paciencia ".

Doblarse y saltar hacia una pérdida de energía cero

Una vez que los investigadores cultivaron varias muestras de cristales, cada uno de aproximadamente un milímetro de ancho, entregaron las muestras a colaboradores de Harvard, quien tomó imágenes de las capas atómicas individuales dentro de cada cristal utilizando microscopía electrónica de transmisión. Las imágenes resultantes revelaron que la disposición de los átomos de hierro y estaño dentro de cada capa se asemejaba a los patrones triangulares de la red de kagome. Específicamente, Los átomos de hierro se colocaron en las esquinas de cada triángulo, mientras que un solo átomo de estaño se sentó dentro del espacio hexagonal más grande creado entre los triángulos entrelazados.

Luego, pasaste una corriente eléctrica a través de las capas cristalinas y monitoreaste su flujo a través de los voltajes eléctricos que producían. Descubrió que las cargas se desviaron de una manera que parecía bidimensional, a pesar de la naturaleza tridimensional de los cristales. La prueba definitiva provino de los experimentos de fotoelectrones realizados por el coautor Kang, quien, en concierto con el equipo de LBNL, pudo demostrar que los espectros electrónicos correspondían efectivamente a electrones bidimensionales.

"Al observar de cerca las bandas electrónicas, notamos algo inusual, "Kang agrega." Los electrones en este material magnético se comportaron como partículas masivas de Dirac, algo que se había predicho hace mucho tiempo pero nunca antes se había visto en estos sistemas ".

"La capacidad única de este material para entrelazar el magnetismo y la topología sugiere que bien pueden engendrar otros fenómenos emergentes, ", Dice Comin." Nuestro próximo objetivo es detectar y manipular los estados de borde que son la consecuencia misma de la naturaleza topológica de estas fases electrónicas cuánticas recién descubiertas ".

Mirando más lejos El equipo ahora está investigando formas de estabilizar otras estructuras de celosía de kagome más bidimensionales. Tales materiales, si se pueden sintetizar, podría usarse para explorar no solo dispositivos con pérdida de energía cero, como líneas eléctricas sin disipación, sino también aplicaciones hacia la computación cuántica.

"Para nuevas direcciones en la ciencia de la información cuántica, existe un interés creciente en circuitos cuánticos novedosos con vías que no se disipan y son quirales, ", Dice Checkelsky." Estos metales kagome ofrecen una nueva vía de diseño de materiales para realizar tales nuevas plataformas para circuitos cuánticos ".