La realización de los llamados materiales topológicos, que exhiben exóticos, propiedades resistentes a defectos y se espera que tengan aplicaciones en electrónica, óptica, computación cuántica, y otros campos, ha abierto un nuevo ámbito en el descubrimiento de materiales.

Varios de los materiales topológicos tan estudiados hasta la fecha se conocen como aislantes topológicos. Se espera que sus superficies conduzcan la electricidad con muy poca resistencia, algo parecido a los superconductores pero sin la necesidad de temperaturas increíblemente frías, mientras que sus interiores, el llamado "volumen" del material, no conducen la corriente.

Ahora, un equipo de investigadores que trabaja en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía (Berkeley Lab) ha descubierto el conductor topológico más fuerte hasta el momento, en forma de muestras de cristal delgadas que tienen una estructura de escalera de caracol. El estudio del equipo de cristales, cristales quirales topológicos apodados, se informa en la edición del 20 de marzo de la revista Naturaleza .

La estructura en espiral similar al ADN, o helicoide, en la muestra de cristal que fue el foco del último estudio exhibe una quiralidad o "lateralidad", ya que una persona puede ser zurda o diestra, y la mano izquierda es una imagen especular de la mano derecha. Las propiedades quirales en algunos casos pueden cambiarse, como una persona zurda que se convierte en una persona diestra.

"En este nuevo trabajo estamos probando esencialmente que este es un nuevo estado de la materia cuántica, que también exhibe propiedades superficiales topológicas casi ideales que surgen como consecuencia de la quiralidad de la estructura cristalina, "dijo M. Zahid Hasan, un pionero de los materiales topológicos que dirigió la teoría y los experimentos de los materiales como científico visitante de la facultad en la División de Ciencias de los Materiales en Berkeley Lab. Hasan es también profesor de Física Eugene Higgins en la Universidad de Princeton.

Se midió que una propiedad que define la conductividad topológica, que está relacionada con la conductividad eléctrica de la superficie del material, es aproximadamente 100 veces mayor que la observada en metales topológicos previamente identificados.

Esta propiedad, conocido como el arco de Fermi de superficie, fue revelado en experimentos de rayos X en la fuente de luz avanzada (ALS) de Berkeley Lab utilizando una técnica conocida como espectroscopia de fotoemisión. El ALS es un sincrotrón que produce luz intensa, desde infrarrojos hasta rayos X de alta energía, para docenas de experimentos simultáneos.

La topología es un concepto matemático bien establecido que se relaciona con la preservación de las propiedades geométricas de un objeto, incluso si un objeto se estira o deforma de otras formas. Algunas de sus aplicaciones experimentales en materiales electrónicos 3-D, como el descubrimiento de comportamientos topológicos en las estructuras electrónicas de los materiales, solo se realizaron hace poco más de una década. con contribuciones tempranas y continuas de Berkeley Lab.

"Después de más de 12 años de investigación en física y materiales topológicos, Creo que esto es solo la punta del iceberg "Agregó Hasan." Según nuestras medidas, este es el más robusto, metal conductor protegido topológicamente que nadie ha descubierto, nos está llevando a una nueva frontera ".

Protegido topológicamente significa que algunas de las propiedades del material son constantes de manera confiable incluso si el material no es perfecto. Esa cualidad también refuerza la posibilidad futura de aplicaciones prácticas y capacidad de fabricación para este tipo de materiales.

Ilya Belopolski, un investigador de Princeton que participó tanto en la teoría como en el trabajo experimental, señaló que una propiedad particularmente interesante de los cristales estudiados, que incluían cristales de cobalto-silicio y rodio-silicio, es que pueden producir una corriente eléctrica de una fuerza fija cuando se les ilumina con una luz.

"Nuestras teorías anteriores mostraron que, según las propiedades electrónicas del material que ahora hemos observado, la corriente se fijaría en valores específicos, ", dijo." No importa qué tan grande sea la muestra, o si está sucio. Es un valor universal. Eso es increíble. Para aplicaciones, el rendimiento será el mismo ".

En experimentos previos en la ALS, El equipo de Hasan había revelado la existencia de un tipo de cuasipartículas sin masa conocidas como fermiones de Weyl. que solo se sabía que existía en teoría durante unos 85 años.

Los fermiones de Weyl, que se observaron en cristales sintéticos de un semimetal llamado arseniuro de tantalio, exhiben algunas propiedades electrónicas similares a las encontradas en los cristales utilizados en el último estudio, pero carecían de sus rasgos quirales. Los semimetales son materiales que tienen algunas propiedades metálicas y no metálicas.

"Nuestro trabajo anterior sobre semimetales de Weyl allanó el camino para la investigación de conductores topológicos exóticos, ", dijo Hasan. En un estudio de noviembre de 2017 que se centró en la teoría que rodea a estos materiales exóticos, El equipo de Hasan predijo que los electrones en el rodio-silicio y muchos materiales relacionados se comportan de formas muy inusuales.

El equipo había predicho que las cuasipartículas en el material, descritas por el movimiento colectivo de los electrones, emergen como electrones sin masa y deberían comportarse como lentos, Partículas tridimensionales de luz, con rasgos definidos de destreza o quiralidad a diferencia de los aislantes topológicos o el grafeno.

También, sus cálculos, publicado el 1 de octubre de 2018 en el Materiales de la naturaleza diario, sugirió que los electrones en los cristales se comportarían colectivamente como si fueran monopolos magnéticos en su movimiento. Los monopolos magnéticos son partículas hipotéticas con un solo polo magnético, como la Tierra sin un polo sur que puede moverse independientemente de un polo norte.

Todo este comportamiento topológico inusual apunta hacia la naturaleza quiral de las muestras de cristal, que crean una estructura electrónica en espiral o "helicoidal", como se observa en los experimentos, Hasan anotó.

Las muestras estudiadas, que contienen cristales que miden hasta un par de milímetros de ancho, fueron preparados con antelación por varias fuentes internacionales. Los cristales fueron caracterizados por el grupo de Hasan en el Laboratorio de Materia Cuántica Topológica y Espectroscopía Avanzada de Princeton utilizando un microscopio de túnel de barrido de baja temperatura que puede escanear muestras a escala atómica. y luego las muestras se transportaron al laboratorio de Berkeley.

Antes de estudiar en la ALS, las muestras se sometieron a un tratamiento de pulido especializado en la fundición molecular de Berkeley Lab, una instalación de investigación científica a nanoescala. Daniel Sánchez y Tyler Cochran, Investigadores de Princeton que contribuyeron al estudio, dijo que las muestras para tales estudios suelen "escindirse, "o rotos de modo que sean atómicamente planos.

Pero en este caso, los enlaces cristalinos eran muy fuertes porque los cristales tienen forma cúbica. Entonces, los miembros del equipo trabajaron con el personal de Molecular Foundry para disparar átomos de argón de alta energía a las muestras de cristal para limpiarlas y aplanarlas. y luego recristalizó y pulió las muestras mediante un proceso de calentamiento.

Los investigadores utilizaron dos líneas de rayos X diferentes en el ALS (Beamline 10.0.1 y Beamline 4.0.3) para descubrir las inusuales propiedades electrónicas y de giro de las muestras de cristal.

Debido a que el comportamiento electrónico en las muestras parece imitar la quiralidad en la estructura de los cristales, Hasan dijo que hay muchas otras vías por explorar, como probar si la superconductividad se puede transferir a través de otros materiales al conductor topológico.

"Esto podría conducir a un nuevo tipo de superconductor, " él dijo, "o la exploración de un nuevo efecto cuántico. ¿Es posible tener un superconductor topológico quiral?"

También, mientras que las propiedades topológicas observadas en los cristales de rodio-silicio y cobalto-silicio en el último estudio se consideran ideales, Hay muchos otros materiales que se han identificado que podrían estudiarse para medir su potencial de rendimiento mejorado para aplicaciones del mundo real. Dijo Hasan.

"Resulta que la misma física también podría ser posible de realizar en otros compuestos en el futuro que sean más adecuados para dispositivos". " él dijo.

"Es una inmensa satisfacción cuando predices algo exótico y también aparece en los experimentos de laboratorio, "Agregó Hasan, destacando los éxitos anteriores de su equipo en la predicción de las propiedades topológicas de los materiales. "Con predicciones teóricas definitivas, hemos combinado la teoría y los experimentos para avanzar en la frontera del conocimiento ".