Esto muestra la difracción de rayos X en un solo cristal de un material antiferromagnético. Este material, los científicos encontraron, exhibe un efecto Hall anómalo extremadamente grande, signo de su carácter topológico. Crédito:Laboratorio Nacional Argonne
Los científicos de Argonne han identificado una nueva clase de materiales topológicos fabricados mediante la inserción de átomos de metales de transición en la red atómica de un material bidimensional conocido.
En años recientes, Los científicos se han sentido intrigados por un nuevo tipo de material que muestra una especie de comportamiento inusual y dividido. Estas estructuras, llamados materiales topológicos, pueden demostrar diferentes propiedades en su superficie que en su masa. Este comportamiento ha atraído la atención de científicos interesados en nuevos estados de la materia y tecnólogos interesados en posibles aplicaciones electrónicas y espintrónicas.
En un nuevo estudio del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), Los científicos han identificado una nueva clase de materiales topológicos fabricados mediante la inserción de átomos de metales de transición en la red atómica de diselenuro de niobio (NbS 2 ), un material bidimensional bien conocido. Encontraron que CoNb 3 S 6 , un material antiferromagnético, exhibe un efecto Hall anómalo extremadamente grande, un signo del carácter topológico de los materiales.
El efecto Hall ordinario se produce en todos los conductores eléctricos. El efecto es esencialmente una fuerza que experimenta un electrón cuando se mueve a través de un campo magnético. "En cada metal, los electrones serán empujados perpendicularmente a su dirección de viaje y perpendicular a un campo magnético externo aplicado, creando un voltaje, "dijo Nirmal Ghimire, un profesor asistente en la Universidad George Mason y un reciente becario postdoctoral del director de Argonne que fue el primer autor del estudio. "Si el material en sí es un ferromagnético, una contribución adicional se superpone a la tensión de Hall ordinaria; esto se conoce como el efecto Hall anómalo (AHE) ".
En el estudio, Ghimire y sus colegas miraron CoNb 3 S 6 y encontré algo inesperado:un gran AHE en modestos campos magnéticos. "Un AHE también se puede encontrar en materiales donde la estructura electrónica tiene características especiales conocidas como características topológicas, ", dijo Ghimire." La configuración de los átomos en la red crea simetrías en el material que conducen a la creación de bandas topológicas, regiones de energía en las que habitan los electrones. Son estas bandas en determinadas configuraciones, que puede conducir a un AHE excepcionalmente grande ".
Basado en cálculos y mediciones, Ghimire y sus colegas sugieren que CoNb 3 S 6 contiene estas bandas topológicas.
"Las características topológicas surgen de una combinación de la simetría del material, así como la concentración correcta de electrones para poner estas características topológicas al nivel de Fermi, que es el estado de energía electrónica más alto disponible a temperatura cero, "señaló John Mitchell, director interino de la división de Ciencia de Materiales de Argonne y coautor del estudio.
"Hasta ahora, sólo un puñado de materiales ha demostrado tener los puntos topológicos característicos necesarios cerca del nivel de Fermi, "Dijo Mitchell." Encontrar más requiere una comprensión tanto de la física de los materiales como de la química en juego ".
El descubrimiento podría allanar el camino para futuros avances en una amplia clase de materiales, según Mitchell. "Ahora tenemos una regla de diseño para fabricar materiales que demuestren estas propiedades, ", dijo." CoNb 3 S 6 es miembro de una gran clase de materiales bidimensionales en capas, por lo que esto podría abrir la puerta a un gran espacio de nueva materia topológica ".
