Los aislantes topológicos son uno de los descubrimientos más emocionantes del siglo XXI. Pueden describirse simplemente como materiales que conducen electricidad en su superficie o borde, pero son aislantes en su interior a granel. Sus propiedades conductoras se basan en el espín, una propiedad de la mecánica cuántica, y esto suprime la dispersión normal de electrones de las impurezas en el material, u otros electrones, y la cantidad de energía que en consecuencia se pierde en calor. A diferencia de los superconductores, los aislantes topológicos pueden funcionar a temperatura ambiente, ofreciendo el potencial para que nuestra electrónica actual sea reemplazada por computadoras cuánticas y dispositivos 'espintrónicos' que serían más pequeños, más rápido, más potente y más eficiente energéticamente. Los aislantes topológicos se clasifican como 'fuertes' o 'débiles', y las confirmaciones experimentales del aislante topológico fuerte (STI) siguieron rápidamente las predicciones teóricas. Sin embargo, el aislante topológico débil (WTI) fue más difícil de verificar experimentalmente, a medida que el estado topológico emerge en superficies laterales particulares, que son típicamente indetectables en cristales tridimensionales reales. En una investigación publicada recientemente en Naturaleza , un equipo de investigadores de Japón utilizó técnicas de sincrotrón para proporcionar evidencia experimental del estado WTI en un cristal de yoduro de bismuto.

Los cristales de yoduro de bismuto cuasi unidimensionales (1-D) α-Bi4I4 y β-Bi4I4 tienen estructuras muy similares, difieren solo en sus secuencias de apilamiento a lo largo del eje c. Esta pequeña diferencia en la estructura conduce a una diferencia sustancial en la resistividad de las dos fases, tanto en magnitud absoluta como en dependencia de la temperatura. A temperatura ambiente se producen transiciones de primer orden entre las dos fases cristalinas, formándose preferentemente la fase α más resistiva cuando la muestra se enfría lentamente.

El equipo de investigación utilizó mediciones de espectroscopía de fotoemisión de resolución angular (ARPES) basadas en láser con resoluciones de alta energía y momento para determinar las estructuras electrónicas de α-Bi4I4 y β-Bi4I4. Observaron una superposición de las señales ARPES de los planos (001) y (100) en estos experimentos, porque el punto del láser era mucho más grande que cada terraza y faceta expuesta en una superficie hendida. En β -Bi4I4, observaron una dispersión de energía similar a un cono de Dirac cerca de la energía de Fermi, EF:estado anómalo que no se detectó en el trivial α-Bi4I4, y que debería deberse a una superficie topológica. Se confirmó un estado cuasi-1D similar mediante ARPES a una energía de fotones más alta. La única explicación posible para el estado de Dirac cuasi-1D observado es que se deriva de la superficie lateral topológica (100) de un WTI.

Para examinar la superficie WTI exclusivamente, recurrieron a una técnica ARPES de superficie selectiva:nano-ARPES. Nano-ARPES (nARPES) es un desarrollo emocionante en técnicas de sincrotrón, que combina la alta resolución espacial de un microscopio con la resolución de energía y momento de la técnica ARPES. La rama nARPES de la línea de luz I05 cuenta con una estación final que ofrece ARPES resueltos espacialmente desde tamaños de puntos ultra pequeños. Usando un haz de fotones enfocado a un punto de menos de 1 μm de tamaño, el equipo pudo observar el avión (100) sin ninguna contaminación.

El estado WTI

Los investigadores obtuvieron un mapa de intensidad microscópica para una pequeña superficie de división, uso de nARPES antes de las mediciones con resolución de ángulos

Luego observaron un estado superficial topológico de Dirac cuasi unidimensional en la superficie lateral (el plano (100)), mientras que la superficie superior (el plano (001)) es topológicamente oscura con ausencia de estados de superficie topológicos. Sus resultados visualizaron el estado WTI realizado en β-Bi4I4, y mostró que una transición cristalina de la fase β a la fase α impulsa una transición de fase topológica de un WTI no trivial a un aislante normal a temperatura ambiente.

El estado del WTI identificado podría tener varias implicaciones científicas y tecnológicas diferentes. Debido a que se considera el análogo tridimensional del aislante Quantum Spin Hall (QSH), y podría generar una corriente de giro altamente direccional sobre una amplia superficie lateral del cristal 3-D, su descubrimiento debería estimular un estudio más profundo de los fenómenos cuánticos exóticos. En el yoduro de bismuto, la aparición de corrientes de espín robustas se puede controlar seleccionando fases cristalinas que sean topológicas o no topológicas, aproximadamente a temperatura ambiente.

Esta investigación es, por tanto, un paso hacia la investigación básica y tecnológica de los análogos tridimensionales de los aisladores QSH, y, en última instancia, puede conducir a nuevas tecnologías electrónicas y espintrónicas.