Los electrones corren a lo largo de la superficie de ciertos materiales cristalinos inusuales, excepto que a veces no lo hacen. Dos nuevos estudios de investigadores de Princeton y sus colaboradores explican la fuente del comportamiento sorprendente y trazan un curso para restaurar la conductividad en estos cristales notables. apreciado por su uso potencial en tecnologías futuras, incluidas las computadoras cuánticas.

Los estudios fueron publicados en la revista Ciencias .

Durante los últimos 15 años, una clase de materiales conocidos como aislantes topológicos ha dominado la búsqueda de los materiales del futuro. Estos cristales tienen una propiedad poco común:sus interiores son aislantes, donde los electrones no pueden fluir, pero sus superficies son conductores perfectos. donde los electrones fluyen sin resistencia.

Esa fue la imagen hasta el descubrimiento hace dos años de que algunos materiales topológicos en realidad no pueden conducir la corriente en su superficie. un fenómeno que se ganó el nombre de "topología frágil".

"La topología frágil es una bestia extraña:ahora se predice que existe en cientos de materiales, "dijo B. Andrei Bernevig, profesor de física en Princeton y coautor de ambos artículos. "Es como si el principio habitual en el que nos hemos basado para determinar experimentalmente un estado topológico se rompiera".

Para entender cómo se forman los estados frágiles, los investigadores recurrieron a dos recursos:ecuaciones matemáticas e impresoras 3D. Con Luis Elcoro en la Universidad del País Vasco, El investigador postdoctoral de Bernevig y Princeton, Zhi-Da Song, construyó una teoría matemática para explicar lo que está sucediendo dentro de los materiales.

Próximo, Sebastian Huber y su equipo en ETH Zurich, en colaboración con investigadores de Princeton, Instituto de Ciencias Weizmann en Israel, Universidad Tecnológica del Sur de China, y la Universidad de Wuhan, probó la teoría construyendo un material topológico de tamaño natural a partir de plásticos impresos en 3D.

Los materiales topológicos toman su nombre del campo de las matemáticas que explica cómo se relacionan formas como rosquillas y tazas de café (ambas tienen un agujero). Los mismos principios pueden explicar cómo los electrones saltan de un átomo a otro en la superficie de aproximadamente 20, 000 o más materiales topológicos identificados hasta la fecha. Los fundamentos teóricos de los materiales topológicos obtuvieron el Premio Nobel de Física 2016 para F. Duncan Haldane, Profesor de Física de la Universidad Sherman Fairchild de Princeton.

Lo que hace que estos cristales sean tan interesantes para los científicos son sus paradójicas propiedades electrónicas. El interior del cristal no tiene capacidad para conducir corriente; es un aislante. Pero corta el cristal por la mitad y los electrones rozarán las superficies recién reveladas sin ninguna resistencia, protegidos por su naturaleza topológica.

La explicación radica en la conexión entre los electrones de la superficie y los del interior, o a granel. Se puede pensar en los electrones no como partículas individuales, sino como ondas que se esparcen como ondas de agua de un guijarro arrojado a un estanque. En esta visión de la mecánica cuántica, La ubicación de cada electrón se describe mediante una onda expansiva que se denomina función de onda cuántica. En un material topológico, la función de onda cuántica de un electrón en la masa se extiende hasta el borde del cristal, o límite de superficie. Esta correspondencia entre la masa y el límite conduce a un estado de superficie perfectamente conductor.

Este principio de "correspondencia masiva-límite" para explicar la conducción topológica superficial fue ampliamente aceptado hasta hace dos años. cuando un puñado de artículos científicos revelaron la existencia de una topología frágil. A diferencia de los estados topológicos habituales, los estados topológicos frágiles no tienen estados de superficie conductores.

"El principio habitual de correspondencia de límites de volumen se rompe, ", Dijo Bernevig. Pero exactamente cómo seguía siendo un enigma.

En el primero de los dos Ciencias documentos, Bernevig, Song y Elcoro proporcionan una explicación teórica para una nueva correspondencia de límites masivos para explicar la topología frágil. Los colaboradores muestran que la función de onda electrónica de la topología frágil solo se extiende a la superficie en condiciones específicas, lo que los investigadores denominan correspondencia de límites de volumen retorcida.

El equipo descubrió además que la correspondencia de límites de volumen retorcida se puede ajustar para que reaparezcan los estados de la superficie conductora. "Según las formas de la función de onda, Diseñamos un conjunto de mecanismos para introducir interferencia en el límite de tal manera que el estado límite necesariamente se vuelve perfectamente conductor, "dijo Luis Elcoro, profesor de la Universidad del País Vasco.

Encontrar nuevos principios generales es algo que siempre intriga a los físicos, pero este nuevo tipo de correspondencia de límites masivos también podría tener algún valor práctico, según los investigadores. "La correspondencia retorcida de límites masivos de la topología frágil proporciona un procedimiento potencial para controlar el estado de la superficie, que podría ser útil en mecánica, aplicaciones electrónicas y ópticas, "Dijo Song.

Pero demostrar que la teoría funciona era virtualmente imposible dado que habría que interferir con los límites a escalas atómicas infinitesimalmente pequeñas. Entonces, el equipo recurrió a colaboradores para construir un modelo a tamaño real con el que explorar sus ideas.

En el segundo Ciencias papel, Sebastian Huber y su equipo en ETH Zurich construyeron un cristal topológico simulado a gran escala de plástico utilizando piezas impresas en 3-D. Utilizaron ondas sonoras para representar las funciones de onda de los electrones. Insertaron barreras para bloquear el paso de las ondas sonoras, que es análogo a cortar el cristal para revelar las superficies conductoras. De este modo, los investigadores imitaron la condición de límite retorcido, y luego demostró que manipulándolo, podrían demostrar que una onda de sonido de conducción libre viaja a través de la superficie.

"Esta fue una idea y una realización muy del campo de la izquierda, ", Dijo Huber." Ahora podemos demostrar que prácticamente todos los estados topológicos que se han realizado en nuestros sistemas artificiales son frágiles, y no estable como se pensaba en el pasado. Este trabajo proporciona esa confirmación, pero mucho mas introduce un nuevo principio general ".