Los materiales topológicos se han convertido en un tema candente en la investigación de materiales cuánticos, ya que tienen aplicaciones potenciales para la información cuántica y la espintrónica. Esto se debe a que los materiales topológicos tienen estados electrónicos extraños en los que el impulso de un electrón está conectado a su orientación de espín, algo que puede explotarse de nuevas formas para codificar y transmitir información. Un tipo de material topológico, llamado semimetal magnético de Weyl, está atrayendo interés debido a su capacidad potencial para ser manipulado con campos magnéticos.

Debido a que estos materiales son tan nuevos, sin embargo, Ha sido difícil para los científicos identificar y caracterizar los semimetales de Weyl. Una teoría reciente y un estudio de modelado de científicos del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) puede no solo brindar a los investigadores una forma más fácil de encontrar semimetales de Weyl, sino también una forma de manipularlos más fácilmente para posibles dispositivos espintrónicos.

Los intentos anteriores de investigar los semimetales de Weyl se basaron en una técnica complicada que requería una fuente de rayos X o láser y muestras cuidadosamente preparadas. Para simplificar la observación de semimetales, En cambio, los investigadores de Argonne propusieron utilizar la relación entre dos propiedades esenciales, el giro y la carga electrónicos, para revelar la naturaleza de los materiales topológicos y dar a los científicos nuevas formas de usarlos.

"Queremos saber si hay alguna firma en el semimetal que podamos ver si intentamos pasar una corriente a través de él, algo que es característico de que sea un semimetal Weyl, "dijo el científico de materiales de Argonne Olle Heinonen.

Para generar una corriente de carga en el semimetal Weyl, Heinonen propuso primero inyectar una corriente de espín en la interfaz entre un metal normal y el semimetal de Weyl. Mientras que la corriente de espín implicó una afluencia de electrones con espines apuntando en una dirección particular, no se inyectaron cargas netas porque los electrones de espín opuesto se tiraban hacia el otro lado.

"Puedes pensar en ello como tener dos nadadores yendo en sentido opuesto en una piscina, uno haciendo el estilo libre y otro haciendo la espalda, ", dijo." No hay una dirección neta para nadar, pero hay una cantidad neta de estilo libre ".

Al mover los giros preferentemente del metal normal al semimetal Weyl, los investigadores encontraron que el semimetal necesitaba encontrar formas de acomodar electrones con espines particulares en su estructura electrónica. "No puedes colocar cualquier electrón donde quieras, "Dijo Heinonen.

En lugar de, los investigadores encontraron que los electrones tienden a redistribuir sus espines en aquellos lugares que están disponibles y son energéticamente favorables. "Es posible que no pueda ajustar todos sus efectos en un estado electrónico en particular, pero puede ajustar cantidades fraccionarias de giro en diferentes estados que suman la misma cantidad, ", Dijo Heinonen." Imagínese si tiene una ola que golpea una roca; todavía tienes la misma cantidad de agua en movimiento, sólo en diferentes direcciones ".

Cuando el electrón se "rompe" de esta manera cuando se encuentra con el semimetal de Weyl, los diferentes estados electrónicos resultantes viajan con diferentes velocidades, generando una corriente de carga. Dependiendo de la dirección en la que se mida esta corriente, digamos, de arriba a abajo o de izquierda a derecha, los científicos vieron resultados diferentes.

"La forma en que se rompe el electrón está relacionada de una manera muy sensible con las relaciones entre la energía, momento y giro en el semimetal magnético de Weyl, ", Dijo Heinonen." Como resultado, cómo cambia la dirección de la corriente de carga está directamente relacionada con las propiedades del semimetal de Weyl, permitiéndole determinar sus características topológicas ".

Al ver la anisotropía, o la diferencia en la corriente de carga cuando se mide en diferentes direcciones en el semimetal Weyl, da a los investigadores dos piezas de información. Primero, revela la naturaleza Weyl del material, pero quizás lo más importante es que permite a los investigadores ajustar las propiedades del material. "La respuesta que vemos es especialmente interesante porque es un semimetal Wey, y porque tiene esta interesante respuesta anisotrópica, probablemente podamos aprovechar eso en algunos dispositivos, ", Dijo Heinonen." Estamos un poco por delante de la curva en lo que respecta a la gente que realmente fabrica muchos semimetales Weyl ". pero esto nos brinda una forma económica de probar y experimentar con un tipo de material que probablemente se volverá más popular ".

Un artículo basado en el estudio, "Conversión de giro a carga en semimetales magnéticos de Weyl, "apareció en la edición del 1 de noviembre de Cartas de revisión física . Ivar Martin de Argonne, Shulei Zhang, ahora es profesor asistente de física en la Case Western Reserve University, y Anton Burkov de la Universidad de Waterloo, también colaboró ​​en el estudio.