Nuevos experimentos con aisladores topológicos dopados magnéticamente en BESSY II han revelado posibles métodos de transmisión de señales sin pérdidas que implican un sorprendente fenómeno de autoorganización. En el futuro, podría ser posible desarrollar materiales con tales características a temperatura ambiente que puedan usarse como unidades de procesamiento en computación cuántica, por ejemplo. El estudio ha sido publicado en Naturaleza .

Los nuevos efectos en la física del estado sólido a menudo se descubren por primera vez a temperaturas cercanas al cero absoluto (0 Kelvin o -273 ° C). Posteriormente, la investigación puede determinar si estos fenómenos pueden inducirse también a temperatura ambiente y cómo. La superconductividad se observó inicialmente en mercurio por debajo de 4 Kelvin hace más de 100 años. Hoy dia, Hay muchos superconductores de alta temperatura que conducen corriente eléctrica sin pérdidas resistivas a temperaturas tan altas como 138 Kelvin o incluso 200 Kelvin (el récord que ostenta el H2S).

El efecto Hall anómalo cuantificado (QAHE) se observó por primera vez en un aislante topológico dopado magnéticamente por debajo de 50 milikelvin en 2013. Similar a la superconductividad, este efecto permite el transporte de carga sin pérdidas dentro de los canales de borde delgados de las muestras. Mientras tanto, Los investigadores han aumentado la temperatura máxima a la que se puede observar el efecto hasta aproximadamente 1 Kelvin.

Sin embargo, basado en consideraciones teóricas, el QAHE debería ocurrir a temperaturas mucho más altas. Así que es un misterio por qué esto no sucede. Un parámetro crítico se conoce como brecha de energía magnética de la muestra, nunca antes se ha medido. Cuanto mayor sea esta brecha, cuanto más estable debe ser el efecto hacia la influencia de la temperatura.

Un equipo internacional encabezado por el físico de HZB, el Prof. Dr. Oliver Rader y el Prof. Dr. Gunther Springholz de la Universidad de Linz ha logrado un gran avance. Mediante espectroscopia de fotoelectrones con radiación de sincrotrón de BESSY II, han podido medir la brecha de energía en una muestra de este tipo por primera vez. Para lograr esto, el ARPES1cube se utilizó para alcanzar temperaturas extremadamente bajas; los investigadores utilizaron la nueva capacidad de resolución de espines del Laboratorio Ruso-Alemán en BESSY II. Asombrosamente, en realidad, la brecha era cinco veces mayor de lo que se había predicho teóricamente.

Los científicos también encontraron una razón simple para este resultado:"Ahora sabemos que el dopaje con manganeso no ocurre de manera desordenada. Al contrario, Causa una estratificación conocida como superestructura en el material:capas muy parecidas a un hojaldre, "explica Springholz." Al agregar un pequeño porcentaje de manganeso, Se crean unidades alternas de siete y cinco capas. Esto hace que el manganeso esté contenido preferentemente dentro de las unidades de siete capas y, por lo tanto, puede generar la brecha de energía de manera mucho más efectiva ".

Rader dice en retrospectiva que la imaginación de los investigadores en el uso de dopantes no se ha extendido lo suficiente hasta la fecha. Utilizaron elementos trivalentes como el cromo y el vanadio que tienen características magnéticas para sustituir al bismuto en el telururo de bismuto (Bi ₂ Te ₃ ), con los átomos dopantes en un estado desordenado. La razón de esto parecía muy convincente:los elementos magnéticos trivalentes aportan tres electrones a los enlaces químicos y su valencia química lleva a estos elementos a los sitios del bismuto.

Con manganeso, la situación es diferente. Dado que el manganeso es bivalente, realmente no encaja bien en los sitios de bismuto. Aparentemente, es por eso que el sistema se reestructura radicalmente y crea una nueva doble capa de átomos en los que se puede incorporar manganeso de forma bivalente. "De este modo, se crea una estructura de manera autoorganizada en la que el manganeso puede producir la gran brecha de energía magnética, "explica Rader.

Si estos fenómenos de autoorganización se explotan de formas específicas, entonces pueden surgir configuraciones completamente nuevas para materiales topológicos magnéticos, según Springholz. En principio, la brecha que ahora se ha medido ya es tan grande que debería permitir la construcción de un QAHE cercano a la temperatura ambiente a partir de componentes apropiados. Sin embargo, otros parámetros aún deben mejorarse. Un aislante topológico magnético como este en combinación con un superconductor ordinario también podría permitir la realización de una unidad de procesamiento cuántico (Qbit) para una computadora cuántica.