Los investigadores de PSI han investigado un nuevo material cristalino que exhibe propiedades electrónicas nunca antes vistas. Es un cristal de átomos de aluminio y platino dispuestos de forma especial. En las celdas unitarias que se repiten simétricamente de este cristal, los átomos individuales estaban separados unos de otros de tal manera que, conectados en el ojo de la mente, seguían la forma de una escalera de caracol. Esto resultó en nuevas propiedades de comportamiento electrónico para el cristal en su conjunto, incluyendo los denominados fermiones Rarita-Schwinger en su interior y arcos de Fermi topológicos muy largos y cuádruples en su superficie. Los investigadores ahora han publicado sus resultados en la revista. Física de la naturaleza .

Informan de un nuevo tipo de cuasipartícula. Las cuasipartículas son estados en el material que se comportan de cierta manera como partículas elementales reales. Dos físicos, William Rarita y Julian Schwinger, predijo por primera vez este tipo de cuasipartícula en 1941, que llegó a conocerse como fermiones de Rarita-Schwinger. Estos ahora se han detectado experimentalmente por primera vez, gracias en parte a las mediciones realizadas en la fuente de luz sincrotrón suiza SLS en PSI.

"Hasta donde sabemos, estamos, simultáneamente con otros tres grupos de investigación, entre los primeros en ver fermiones de Rarita-Schwinger, "dice Niels Schröter, investigador de PSI y primer autor del nuevo estudio.

La búsqueda de estados electrónicos exóticos

Los investigadores descubrieron las cuasipartículas mientras investigaban un material novedoso:un cristal especial de aluminio y platino. "Cuando se ve a simple vista, Nuestro cristal era simplemente un pequeño cubo de aproximadamente medio centímetro de tamaño y plateado negruzco, ", dice Schröter." Nuestros colegas del Instituto Max Planck de Física Química de Sólidos en Dresde lo produjeron mediante un proceso especial. Además de los investigadores de Dresde, científicos en Gran Bretaña, España y EE. UU. También participaron en el estudio actual. El objetivo de los investigadores de Dresde era lograr una disposición a medida de los átomos en la red cristalina.

En un cristal cada átomo ocupa un espacio exacto. Un grupo de átomos adyacentes a menudo en forma de cubo forma un elemento básico, la llamada celda unitaria. Esto se repite en todas direcciones y así forma el cristal con sus típicas simetrías, que también son visibles desde el exterior. Sin embargo, en el cristal de aluminio-platino ahora investigado, los átomos individuales en las celdas elementales adyacentes estaban ligeramente desplazados entre sí para que siguieran la forma de una escalera de caracol, una línea helicoidal. "Por lo tanto, funcionó exactamente como estaba planeado:teníamos un cristal quiral, "explica Schröter.

Cristales como dos manos

Los materiales quirales se pueden comparar con la imagen especular de las manos izquierda y derecha. En algunos cristales quirales, la escalera de caracol imaginaria de los átomos corre en el sentido de las agujas del reloj, y en otros, funciona en sentido antihorario. "Los investigadores consideramos que los materiales quirales son muy interesantes, porque los modelos matemáticos hacen muchas predicciones de que se pueden encontrar fenómenos físicos exóticos en ellos, "explica Vladimir Strocov, investigador de PSI y coautor del estudio actual.

Y este fue el caso del cristal de aluminio y platino que investigaron los investigadores. Usando espectroscopía de rayos X y fotoelectrones SLS, hicieron visibles las propiedades electrónicas dentro del cristal. Además, medidas complementarias del mismo cristal en Diamond Light Source en Oxfordshire, Inglaterra, les permitió ver las estructuras electrónicas en su superficie.

Estas investigaciones demostraron que el cristal especial no era solo un material quiral, pero también topológico. "A este tipo de material lo llamamos semimetal topológico quiral, "Dice Strocov." Gracias a las excepcionales capacidades espectroscópicas de la línea de luz ADRESS aquí en SLS, ahora estamos entre los primeros en haber probado experimentalmente la existencia de tal material ".

El mundo de las donas

Los materiales topológicos salieron a la luz pública con el Premio Nobel de Física en 2016, cuando tres investigadores fueron honrados por sus investigaciones sobre fases topológicas y transiciones de fase.

La topología es un campo de las matemáticas que se ocupa de estructuras y formas que son similares entre sí. Por ejemplo, una bola de plastilina se puede formar en un dado, un plato, o un cuenco simplemente presionando y tirando:estas formas son, por lo tanto, topológicamente idénticas. Sin embargo, para obtener una rosquilla o un ocho, tienes que hacer agujeros en la arcilla, uno para la rosquilla, dos agujeros para el 8.

Esta clasificación según el número de agujeros y otras propiedades topológicas ya ha sido aplicada a otras propiedades físicas de los materiales por los científicos que fueron galardonados con el Premio Nobel en 2016. Así, por ejemplo, Se desarrolló la teoría de los llamados fluidos cuánticos topológicos.

"El hecho de que nuestro cristal sea un material topológico significa que, en sentido figurado, el número de agujeros dentro del cristal es diferente del número de agujeros fuera de él. Por lo tanto, en la transición entre el cristal y el aire, así en la superficie del cristal, el número de agujeros no está bien definido. Lo que esta claro sin embargo, es que aquí es donde cambia, "explica Schröter." Decimos que se produce una transición de fase topológica en la superficie del cristal. Como resultado, allí emergen nuevos estados electrónicos:arcos de Fermi topológicos ".

Cuasipartículas en el interior, Fermi arcos en la superficie

Es la combinación de estos dos fenómenos, la quiralidad y la topología del cristal, eso conduce a las propiedades electrónicas inusuales que también difieren dentro del material y en su superficie.

Si bien los investigadores pudieron detectar los fermiones de Rarita-Schwinger dentro del material, Las mediciones complementarias en la fuente de radiación de sincrotrón inglesa Diamond Light Source revelaron otros estados electrónicos exóticos en la superficie del material:cuatro llamados arcos de Fermi, que también son significativamente más largos que los arcos de Fermi previamente observados.

"Está bastante claro que los fermiones de Rarita-Schwinger en el interior y estos arcos de Fermi especiales en la superficie están conectados. Ambos resultan del hecho de que es un material topológico quiral, ", dice Schröter." Estamos muy contentos de haber sido de los primeros en encontrar un material de este tipo. No se trata solo de estas dos propiedades electrónicas:el descubrimiento de materiales quirales topológicos abrirá todo un campo de juego de nuevos fenómenos exóticos ".

Los investigadores están interesados ​​en nuevos materiales y el comportamiento exótico de los electrones porque algunos de ellos podrían ser adecuados para aplicaciones en la electrónica del futuro. El objetivo es, por ejemplo, con las computadoras cuánticas, lograr un almacenamiento y una transmisión de datos cada vez más densos y rápidos en el futuro y reducir el consumo de energía de los componentes electrónicos.