La investigación fundamental en física de la materia condensada ha impulsado enormes avances en las capacidades electrónicas modernas. Transistores fibra óptica, LEDs, medios de almacenamiento magnéticos, pantallas de plasma, semiconductores, superconductores:la lista de tecnologías nacidas de la investigación fundamental en la física de la materia condensada es asombrosa. Los científicos que trabajan en este campo continúan explorando y descubriendo fenómenos novedosos sorprendentes que prometen los avances tecnológicos del mañana.

Una importante línea de investigación en este campo involucra la topología, un marco matemático para describir los estados de la superficie que permanecen estables incluso cuando el material se deforma por estiramiento o torsión. La estabilidad inherente de los estados topológicos de la superficie tiene implicaciones para una variedad de aplicaciones en electrónica y espintrónica.

Ahora, un equipo internacional de científicos ha descubierto una nueva forma exótica de estado topológico en una gran clase de cristales semimetálicos tridimensionales llamados semimetales de Dirac. Los investigadores desarrollaron una extensa maquinaria matemática para cerrar la brecha entre los modelos teóricos con formas de topología de "orden superior" (topología que se manifiesta solo en el límite de un límite) y el comportamiento físico de los electrones en materiales reales.

El equipo está compuesto por científicos de la Universidad de Princeton, incluyendo al investigador postdoctoral Dr. Benjamin Wieder, Profesora de Química Leslie Schoop, y el profesor de física Andrei Bernevig; en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, El profesor de física Barry Bradlyn; en el Instituto de Física de la Academia de Ciencias de China en Beijing, El profesor de física Zhijun Wang; en la Universidad Estatal de Nueva York en Stony Brook, La profesora de física Jennifer Cano (Cano también está afiliada al Instituto Flatiron de la Fundación Simons); y en la Universidad de Ciencia y Tecnología de Hong Kong, El profesor de física Xi Dai. Los resultados del equipo se publicaron en la revista Comunicaciones de la naturaleza el 31 de enero 2020.

En la última década, Los fermiones de Dirac y Weyl se han predicho y se han confirmado experimentalmente en varios materiales en estado sólido, más notablemente en arseniuro de tantalio cristalino (TaAs), el semimetal de fermión de Weyl topológico descubierto por primera vez. Varios investigadores observaron que TaAs exhibe estados de superficie topológicos 2-D conocidos como "arcos de Fermi". Pero fenómenos similares observados en semimetales de fermiones de Dirac han eludido la comprensión, hasta ahora.

¿Qué es un arco de Fermi? En el contexto de los semimetales, es un estado de superficie que se comporta como la mitad de un metal bidimensional; la otra mitad se encuentra en una superficie diferente.

Bradlyn señala, "Esto no es algo que sea posible en un sistema puramente 2-D, y solo puede suceder en función de la naturaleza topológica de un cristal. En este trabajo, encontramos que los arcos de Fermi se limitan a las bisagras 1D en semimetales de Dirac ". En un trabajo anterior, Dai, Bernevig, y sus colegas demostraron experimentalmente que las superficies 2-D de los semimetales de Weyl deben albergar arcos de Fermi, independientemente de los detalles de la superficie, como consecuencia topológica de los puntos de Weyl (fermiones) presentes en lo profundo de la masa del cristal. Esto fue predicho teóricamente por primera vez por Vishwanath, et al.

"Los semimetales de Weyl tienen capas como cebollas, "observa Dai." Es notable que puedas seguir pelando la superficie de TaAs, pero los arcos siempre están ahí ".

Los investigadores también han observado estados de superficie en forma de arco en semimetales de Dirac, pero los intentos de desarrollar una relación matemática similar entre tales estados de superficie y los fermiones de Dirac en la mayor parte del material no han tenido éxito:estaba claro que los estados de la superficie de Dirac surgen de una forma diferente, mecanismo no relacionado, y se concluyó que los estados de la superficie de Dirac no estaban protegidos topológicamente.

En el estudio actual, los investigadores se sorprendieron al encontrar fermiones de Dirac que parecían exhibir estados de superficie topológicamente protegidos, contradiciendo esta conclusión. Trabajando en modelos de semimetales de Dirac derivados de aisladores de cuadrupolos topológicos (sistemas topológicos de orden superior recientemente descubiertos por Bernevig en colaboración con el profesor de física de Illinois Taylor Hughes), encontraron que esta nueva clase de materiales exhibe robustez, realización de estados electrónicos en 1D, o dos dimensiones menos que los puntos Dirac tridimensionales a granel.

Inicialmente confundido por el mecanismo a través del cual aparecieron estos estados de "bisagra", los investigadores trabajaron para desarrollar un extenso modelo exactamente resoluble para los estados ligados de cuadrupolos topológicos y semimetales de Dirac. Los investigadores encontraron que, en semimetales de Dirac, Los arcos de Fermi se generan mediante un mecanismo diferente al de los arcos de los semimetales de Weyl.

"Además de resolver el problema de décadas de si los fermiones de Dirac de la materia condensada tienen estados de superficie topológicos, "Wieder señala, "Demostramos que los semimetales de Dirac representan uno de los primeros materiales de estado sólido que albergan firmas de cuadrupolos topológicos".

Bradlyn agrega, "A diferencia de los semimetales de Weyl, cuyos estados superficiales son primos de las superficies de los aislantes topológicos, hemos demostrado que los semimetales de Dirac pueden albergar estados de superficie que son primos de los estados de esquina de los aislantes topológicos de orden superior ".

Bradlyn describe la metodología del equipo:"Adoptamos un enfoque de tres puntos para resolver las cosas. Primero, construimos algunos modelos de juguetes para sistemas que esperábamos que tuvieran estas propiedades, inspirado en trabajos anteriores sobre sistemas topológicos de orden superior en 2-D, y el uso de la teoría de grupos para hacer cumplir las restricciones en tres dimensiones. Esto fue realizado principalmente por el Dr. Wieder, Prof. Cano, y yo mismo.

"Segundo, El Dr. Wieder y yo llevamos a cabo un análisis teórico más abstracto de sistemas en dos dimensiones, derivar las condiciones para las que se requiere que exhiban estados de bisagra, incluso fuera de los modelos de juguetes ".

"Tercera, realizamos un análisis de materiales conocidos, combinando la intuición química de la profesora Leslie Schoop, nuestras limitaciones de simetría, y cálculos ab initio del profesor Zhijun Wang para mostrar que nuestros estados de arco de bisagra deben ser visibles en materiales reales ".

Cuando el polvo se asentó, El equipo descubrió que casi todos los semimetales de Dirac de materia condensada deberían exhibir estados de bisagra.

"Nuestro trabajo proporciona una firma físicamente observable de la naturaleza topológica de los fermiones de Dirac, que antes era ambiguo, "señala Cano.

Bradlyn agrega, "Está claro que numerosos semimetales de Dirac previamente estudiados en realidad tienen estados de límite topológicos, si uno mira en el lugar correcto ".

Mediante cálculos de primeros principios, los investigadores demostraron teóricamente la existencia de estados de bisagra pasados ​​por alto en los bordes de semimetales de Dirac conocidos, incluido el material prototípico, arseniuro de cadmio (Cd ₃ Como ₂ ).

Bernevig comenta, "Con un equipo increíble que combina habilidades de la física teórica, cálculos de primeros principios, y química, pudimos demostrar la conexión entre la topología de orden superior en dos dimensiones y los semimetales de Dirac en tres dimensiones, por primera vez."

Los hallazgos del equipo tienen implicaciones para el desarrollo de nuevas tecnologías, incluso en espintrónica, debido a que los estados de bisagra se pueden convertir en estados de borde cuya dirección de propagación está ligada a su giro, muy parecido a los estados de borde de un aislante topológico bidimensional. Adicionalmente, nanorods de semimetales topológicos de orden superior podrían realizar superconductividad topológica en sus superficies cuando se acercan con superconductores convencionales, potencialmente realizando múltiples fermiones de Majorana, que se han propuesto como ingredientes para lograr la computación cuántica tolerante a fallas.