Un equipo internacional de investigadores dirigido por científicos de la Universidad de Princeton ha descubierto que un material magnético a temperatura ambiente permite que los electrones se comporten de forma contraria a la intuición. actuando colectivamente en lugar de como individuos. Su comportamiento colectivo imita partículas sin masa y antipartículas que coexisten de manera inesperada y juntas forman una estructura exótica en forma de bucle.

La clave de este comportamiento es la topología, una rama de las matemáticas que ya se sabe que desempeña un papel importante a la hora de dictar el comportamiento de los electrones en los cristales. Los materiales topológicos pueden contener partículas sin masa en forma de luz, o fotones. En un cristal topológico, los electrones a menudo se comportan como una luz ralentizada, pero a diferencia de la luz, llevar carga eléctrica.

Rara vez se ha observado topología en materiales magnéticos, y el hallazgo de un material topológico magnético a temperatura ambiente es un paso adelante que podría desbloquear nuevos enfoques para aprovechar los materiales topológicos para futuras aplicaciones tecnológicas.

"Antes de este trabajo, La evidencia de las propiedades topológicas de los imanes en tres dimensiones no fue concluyente. Estos nuevos resultados nos brindan evidencia directa y decisiva de este fenómeno a nivel microscópico, "dijo M. Zahid Hasan, el profesor de física Eugene Higgins en Princeton, quien dirigió la investigación. "Este trabajo abre un nuevo continente para la exploración en imanes topológicos".

Hasan y su equipo pasaron más de una década estudiando materiales candidatos en la búsqueda de un estado cuántico magnético topológico.

"La física de los imanes a granel se ha entendido durante muchas décadas. Una pregunta natural para nosotros es:¿Pueden las propiedades magnéticas y topológicas juntas producir algo nuevo en tres dimensiones?" Dijo Hasan.

Existen miles de materiales magnéticos, pero la mayoría no tenía las propiedades correctas, los investigadores encontraron. Los imanes eran demasiado difíciles de sintetizar, el magnetismo no se entendió suficientemente bien, la estructura magnética era demasiado complicada para modelar teóricamente, o no se pudieron observar firmas experimentales decisivas de la topología.

Luego llegó un punto de inflexión afortunado.

"Después de estudiar muchos materiales magnéticos, Realizamos una medición en una clase de imanes a temperatura ambiente e inesperadamente vimos firmas de electrones sin masa, "dijo Ilya Belopolski, investigador postdoctoral en el laboratorio de Hasan y co-primer autor del estudio. "Eso nos puso en el camino hacia el descubrimiento de la primera fase magnética topológica tridimensional".

El cristal magnético exótico consiste en cobalto, manganeso y galio, arreglado de forma ordenada, Repitiendo patrón tridimensional. Para explorar el estado topológico del material, los investigadores utilizaron una técnica llamada espectroscopia de fotoemisión de resolución angular. En este experimento, la luz de alta intensidad brilla sobre la muestra, obligando a los electrones a emitirse desde la superficie. Estos electrones emitidos se pueden medir, proporcionando información sobre el comportamiento de los electrones cuando estaban dentro del cristal.

"Es una técnica experimental extremadamente poderosa, lo que en este caso nos permitió observar directamente que los electrones de este imán se comportan como si no tuvieran masa. Estos electrones sin masa se conocen como fermiones de Weyl, "dijo Daniel Sánchez, un investigador visitante de Princeton y Ph.D. estudiante de la Universidad de Copenhague, y otro co-primer autor del estudio.

Una idea clave surgió cuando los investigadores estudiaron los fermiones de Weyl más de cerca y se dieron cuenta de que el imán albergaba una serie infinita de electrones sin masa distintos que toman la forma de un bucle. con algunos electrones que imitan las propiedades de las partículas y algunos de las anti-partículas. Este comportamiento cuántico colectivo de los electrones se ha denominado bucle de fermión de Weyl topológico magnético.

"Es realmente un sistema exótico y novedoso, "dijo Guoqing Chang, investigador postdoctoral en el grupo de Hasan y co-primer autor del estudio. "El comportamiento colectivo de los electrones en estas partículas no se parece a nada que nos sea familiar en nuestra experiencia diaria, o incluso en la experiencia de los físicos de partículas que estudian partículas subatómicas. Aquí estamos tratando con partículas emergentes que obedecen a diferentes leyes de la naturaleza".

Resulta que un factor clave de estas propiedades es una cantidad matemática que describe la serie infinita de electrones sin masa. Los investigadores pudieron precisar el papel de la topología al observar cambios sutiles en la diferencia del comportamiento de los electrones que viven en la superficie de la muestra y más profundamente en su interior. La técnica para demostrar cantidades topológicas a través de los contrastes de las propiedades de la superficie y el volumen fue iniciada por el grupo de Hasan y se utilizó para detectar fermiones de Weyl. un hallazgo publicado en 2015. El equipo utilizó recientemente un enfoque análogo para descubrir un cristal quiral topológico, trabajo publicado en la revista Naturaleza a principios de este año que también fue dirigido por el grupo de Hasan en Princeton e incluyó a Daniel Sánchez, Guoqing Chang e Ilya Belopolski como autores destacados.

Predicciones teóricas

La relación entre la topología y las partículas de bucle cuántico magnético se exploró en las predicciones teóricas del grupo Hasan publicadas en octubre de 2017 en Cartas de revisión física . Sin embargo, El interés teórico del grupo en los imanes topológicos se remonta mucho antes a las predicciones teóricas publicadas en Materiales de la naturaleza en 2010. Estos trabajos teóricos del grupo de Hasan fueron financiados por la oficina de Ciencias Energéticas Básicas del Departamento de Energía de EE. UU.

"Este trabajo representa la culminación de aproximadamente una década de buscar realizar una fase cuántica magnética topológica en tres dimensiones, "Dijo Hasan.

En 2016, Duncan Haldane, Profesor de Física de la Universidad Sherman Fairchild de Princeton, ganó el Premio Nobel de Física por sus teorías que predicen las propiedades de los materiales topológicos unidimensionales y bidimensionales.

Un aspecto importante del resultado es que el material retiene su magnetismo hasta 400 grados Celsius, muy por encima de la temperatura ambiente, satisfaciendo un requisito clave para las aplicaciones tecnológicas del mundo real.

"Antes de nuestro trabajo, Las propiedades magnéticas topológicas se observaron típicamente cuando las películas delgadas de materiales estaban extremadamente frías, una fracción de grado por encima del cero absoluto, lo que requería equipo especializado simplemente para alcanzar las temperaturas necesarias. Incluso una pequeña cantidad de calor desestabilizaría térmicamente el estado magnético topológico, "Dijo Hasan." El imán cuántico estudiado aquí exhibe propiedades topológicas a temperatura ambiente ".

Un imán topológico en tres dimensiones revela sus firmas más exóticas solo en su superficie:las funciones de onda de los electrones toman la forma de parches. Esto no tiene precedentes en imanes previamente conocidos y constituye la firma reveladora de un imán topológico. Los investigadores observaron estados electrónicos en forma de parche de tambor en sus datos, proporcionando la evidencia decisiva crucial de que se trata de un nuevo estado de la materia.

Patrick Lee, el profesor de física William &Emma Rogers en el Instituto de Tecnología de Massachusetts, que no participó en el estudio, comentó sobre la importancia del hallazgo. "El grupo de Princeton lleva mucho tiempo a la vanguardia en el descubrimiento de nuevos materiales con propiedades topológicas, "Dijo Lee." Al extender este trabajo a un ferromagnético a temperatura ambiente y demostrar la existencia de un nuevo tipo de estados de superficie de parche, este trabajo abre un nuevo dominio para nuevos descubrimientos ".

Para comprender sus hallazgos, los investigadores estudiaron la disposición de los átomos en la superficie del material utilizando varias técnicas, como verificar el tipo correcto de simetría usando el microscopio de túnel de barrido en el Laboratorio de Materia Cuántica Topológica y Espectroscopía Avanzada de Hasan, ubicado en el sótano del Jadwin Hall de Princeton.

Un contribuyente importante al hallazgo fue el equipo de espectroscopia de vanguardia utilizado para llevar a cabo el experimento. Los investigadores utilizaron una línea de luz de espectroscopia de fotoemisión dedicada construida recientemente en la fuente de luz de radiación de sincrotrón de Stanford, parte del Laboratorio del Acelerador Nacional SLAC en Menlo Park, California.

"La luz utilizada en el experimento de fotoemisión SLAC es extremadamente brillante y enfocada hasta un punto diminuto de solo varias decenas de micrómetros de diámetro, ", dijo Belopolski." Esto fue importante para el estudio ".

El trabajo se llevó a cabo en estrecha colaboración con el grupo del profesor Hsin Lin del Instituto de Física, Academia Sinica en Taiwán, y la profesora Claudia Felser en el Instituto Max Planck de Física Química de Sólidos en Dresde, Alemania, incluyendo al investigador postdoctoral Kaustuv Manna como co-primer autor.

Impulsado por la tentadora posibilidad de aplicaciones, los investigadores dieron un paso más y aplicaron campos electromagnéticos al imán topológico para ver cómo respondía. Observaron una respuesta electromagnética exótica hasta la temperatura ambiente, que podría rastrearse directamente hasta los electrones del bucle cuántico.

"Tenemos muchos materiales topológicos, pero entre ellos ha sido difícil mostrar una clara respuesta electromagnética derivada de la topología, "Añadió Hasan." Aquí hemos podido hacer eso. Establece un campo de investigación completamente nuevo para los imanes topológicos ".

El estudio, "Descubrimiento de líneas de fermiones de Weyl topológicas y estados de la superficie del parche en un imán a temperatura ambiente, "por Ilya Belopolski, Kaustuv Manna, Daniel S. Sánchez, Guoqing Chang, Benedikt Ernst, Jiaxin Yin, Songtian S. Zhang, Tyler Cochran, Nana Shumiya, Hao Zheng, Bahadur Singh, Guang Bian, Daniel Multer, Maksim Litskevich, Xiaoting Zhou, Shin-Ming Huang, Baokai Wang, Tay-Rong Chang, Su-Yang Xu, Arun Bansil, Claudia Felser, Hsin Lin y Zahid Hasan aparecen en la edición del 19 de septiembre de Ciencias .