Lebing Chen, estudiante de posgrado de la Universidad de Rice, pasó tres meses perfeccionando una receta para hacer láminas planas de triyoduro de cromo, un material cuántico bidimensional que parece ser un "aislante topológico magnético". Crédito:Jeff Fitlow / Rice University
Un equipo de físicos estadounidenses y coreanos ha encontrado la primera evidencia de un material bidimensional que puede convertirse en un aislante topológico magnético incluso cuando no se coloca en un campo magnético.
"En el grafeno se conocen muchas propiedades cuánticas y relativistas diferentes de los electrones en movimiento, y la gente se ha interesado '¿Podemos ver estos en materiales magnéticos que tienen estructuras similares?' ", Dijo Pengcheng Dai de la Universidad de Rice. coautor de un estudio sobre el material publicado en la revista American Physical Society PRX . Dai, cuyo equipo incluía científicos de Rice, Universidad de Corea, Laboratorio Nacional Oak Ridge (ORNL) y el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología, dijo que el triyoduro de cromo (CrI 3 ) utilizado en el nuevo estudio "es como el panal de grafeno, pero es un panal magnético ".
En experimentos en la fuente de neutrones de espalación de ORNL, CrI 3 las muestras fueron bombardeadas con neutrones. Un análisis espectroscópico realizado durante las pruebas reveló la presencia de excitaciones de espín colectivas llamadas magnones. Girar, una característica intrínseca de todos los objetos cuánticos, es un actor central en el magnetismo, y los magnones representan un tipo específico de comportamiento colectivo de los electrones en los átomos de cromo.
"La estructura de este magnón, cómo se mueve la onda magnética en este material, es bastante similar a cómo se mueven las ondas de electrones en el grafeno, "dijo Dai, profesor de física y astronomía y miembro del Centro de Materiales Cuánticos de Rice (RCQM).
Tanto el grafeno como el CrI3 contienen puntos de Dirac, que solo existen en las estructuras de bandas electrónicas de algunos materiales bidimensionales. Nombrado por Paul Dirac, que ayudó a reconciliar la mecánica cuántica con la relatividad general en la década de 1920, Los puntos de Dirac son características donde los electrones se mueven a velocidades relativistas y se comportan como si tuvieran masa cero. El trabajo de Dirac jugó un papel fundamental en la comprensión de los físicos del espín y el comportamiento de los electrones en aislantes topológicos 2-D, materiales extraños que atrajeron el Premio Nobel de Física 2016.
Los electrones no pueden fluir a través de aislantes topológicos, pero pueden deslizarse alrededor de sus bordes unidimensionales en superautopistas de "modo borde". Los materiales obtienen su nombre de una rama de las matemáticas conocida como topología, que el Nobel de 2016 Duncan Haldane usó para explicar la conducción en modo de borde en un artículo seminal de 1988 que presentaba un modelo de panal 2-D con una estructura notablemente similar al grafeno y CrI 3 .
"El punto de Dirac es donde los electrones se mueven como fotones, con masa efectiva nula, y si se mueven a lo largo de los bordes topológicos, no habrá resistencia, "dijo el coautor del estudio, Jae-Ho Chung, profesor invitado en Rice y profesor de física en la Universidad de Corea en Seúl, Corea del Sur. "Ese es el punto importante para las aplicaciones espintrónicas sin disipación".
Los materiales de nido de abeja bidimensionales como el grafeno (arriba) y el triyoduro de cromo (abajo) presentan una estructura de nido de abeja de hexágonos interconectados. En triyoduro de cromo, Los átomos de yodo (rosa) ayudan a alinear los átomos de cromo (azul) en un patrón de panal Crédito:Jae-Ho Chung / Universidad de Corea
Spintronics es un movimiento creciente dentro de la comunidad de electrónica de estado sólido para crear tecnologías basadas en espines para computación, comunicarse y almacenamiento de información y más. Los aislantes topológicos con estados de borde magnon tendrían una ventaja sobre aquellos con estados de borde electrónicos porque las versiones magnéticas no producirían calor, Dijo Chung.
Estrictamente hablando, los magnones no son partículas sino cuasipartículas, excitaciones colectivas que surgen del comportamiento de una multitud de otras partículas. Una analogía sería "la ola" que a veces realizan las multitudes en los estadios deportivos. Mirando a un solo ventilador, uno simplemente vería a una persona de pie periódicamente, levantando los brazos y volviendo a sentarse. Sólo mirando a toda la multitud se puede ver "la ola".
"Si miras solo el espín de un electrón, parecerá que vibra aleatoriamente, ", Dijo Chung." Pero de acuerdo con los principios de la física del estado sólido, este bamboleo aparentemente aleatorio se compone de ondas exactas, Olas bien definidas. Y no importa cuántas olas tengas, solo una onda en particular se comportará como un fotón. Eso es lo que está sucediendo alrededor del llamado punto de Dirac. Todo lo demás es solo una simple onda giratoria. Sólo alrededor de este punto de Dirac el magnón se comportará como un fotón ".
Dai dijo que la evidencia de excitaciones de espín topológicas en el CrI 3 es particularmente intrigante porque es la primera vez que se observa tal evidencia sin la aplicación de un campo magnético externo.
"Hubo un artículo en el pasado donde se observó algo similar al aplicar un campo magnético, pero la nuestra fue la primera observación en campo cero, ", dijo." Creemos que esto se debe a que el material tiene un campo magnético interno que permite que esto suceda ".
Dai y Chung dijeron que el campo magnético interno surge de los electrones que se mueven a velocidades casi relativistas muy cerca de los protones en los núcleos de los átomos de cromo y yodo.
"Estos electrones se mueven por sí mismos, pero debido a la relatividad, en su marco de referencia, no sienten que se muevan, "Dijo Dai." Están ahí parados, y sus alrededores se mueven muy rápido ".
Triyoduro de cromo producido en un horno de alta temperatura en la Universidad de Rice. En experimentos de dispersión de neutrones, el material se comportó como un aislante topológico magnético. Crédito:Jeff Fitlow / Rice University
Chung dijo:"Este movimiento en realidad siente las cargas positivas circundantes como una corriente que se mueve a su alrededor, y eso, acoplado al espín del electrón, crea el campo magnético ".
Dai dijo que las pruebas en ORNL implicaron enfriar el CrI 3 muestras por debajo de 60 Kelvin y bombardearlas con neutrones, que también tienen momentos magnéticos. Los neutrones que pasaron lo suficientemente cerca de un electrón en la muestra podrían entonces excitar excitaciones de ondas de espín que podrían leerse con un espectrómetro.
"Medimos cómo se propaga la onda de giro, ", dijo." Esencialmente, cuando giras este giro, cuánto responden los otros giros ".
Para garantizar que los neutrones interactúen en cantidades suficientes con las muestras, La estudiante graduada de Rice y autora principal del estudio, Lebing Chen, pasó tres meses perfeccionando una receta para producir láminas planas de CrI 3 en un horno de alta temperatura. El tiempo de cocción de cada muestra fue de unos 10 días, y el control de las variaciones de temperatura dentro del horno resultó crítico. Una vez perfeccionada la receta, Chen luego tuvo que apilar cuidadosamente, alinee y pegue 40 capas del material. Debido a que los hexágonos en cada capa tenían que estar alineados con precisión, y la alineación solo se pudo confirmar con difracción de rayos X de Laue, cada pequeño ajuste puede llevar una hora o más.
"No hemos probado que exista transporte topológico, "Dijo Dai." En virtud de tener los espectros que tenemos, ahora podemos decir que es posible tener este modo de borde, pero no hemos demostrado que exista un modo de borde ".
Los investigadores dijeron que se necesitarán experimentos de transporte magnon para demostrar que existe el modo de borde, y esperan que sus hallazgos alienten a otros grupos a intentar esos experimentos.
