Un equipo internacional dirigido por investigadores de la Universidad de Princeton ha descubierto una nueva clase de imán que exhibe efectos cuánticos novedosos que se extienden hasta la temperatura ambiente.

Los investigadores descubrieron una fase topológica cuantificada en un imán prístino. Sus hallazgos brindan información sobre una teoría de 30 años sobre cómo los electrones cuantifican espontáneamente y demuestran un método de prueba de principio para descubrir nuevos imanes topológicos. Los imanes cuánticos son plataformas prometedoras para la corriente sin disipación, alta capacidad de almacenamiento y futuras tecnologías verdes. El estudio fue publicado en la revista Naturaleza esta semana.

Las raíces del descubrimiento se encuentran en el funcionamiento del efecto Hall cuántico, una forma de efecto topológico que fue objeto del Premio Nobel de Física en 1985. Esta fue la primera vez que una rama de las matemáticas teóricas, llamada topología, comenzaría a cambiar fundamentalmente la forma en que describimos y clasificamos la materia que forma el mundo que nos rodea. Desde entonces, Las fases topológicas se han estudiado intensamente en ciencia e ingeniería. Se han encontrado muchas clases nuevas de materiales cuánticos con estructuras electrónicas topológicas, incluyendo aislantes topológicos y semimetales Weyl. Sin embargo, mientras que algunas de las ideas teóricas más emocionantes requieren magnetismo, la mayoría de los materiales explorados no han sido magnéticos y no muestran cuantificación, dejando muchas posibilidades tentadoras sin cumplir.

"El descubrimiento de un material topológico magnético con comportamiento cuantificado es un gran paso adelante que podría abrir nuevos horizontes en el aprovechamiento de la topología cuántica para la futura física fundamental y la investigación de dispositivos de próxima generación", dijo M. Zahid Hasan, el profesor de física Eugene Higgins en la Universidad de Princeton, quien dirigió el equipo de investigación.

Mientras se realizaban rápidamente descubrimientos experimentales, la física teórica sobresalió en el desarrollo de ideas que condujeron a nuevas mediciones. En 1988 F. Duncan Haldane propuso importantes conceptos teóricos sobre aisladores topológicos bidimensionales. el Profesor Thomas D. Jones de Física Matemática y el Profesor de Física de la Universidad Sherman Fairchild en Princeton, quien en 2016 fue galardonado con el Premio Nobel de Física por los descubrimientos teóricos de las transiciones de fase topológica y las fases topológicas de la materia. Los desarrollos teóricos posteriores mostraron que el magnetismo topológico de alojamiento de aisladores en una disposición atómica especial conocida como red de kagome puede albergar algunos de los efectos cuánticos más extraños.

Hasan y su equipo han estado buscando durante una década un estado cuántico magnético topológico que también pueda operar a temperatura ambiente desde que descubrieron los primeros ejemplos de aislantes topológicos tridimensionales. Recientemente, encontraron una solución de materiales a la conjetura de Haldane en un imán de celosía kagome que es capaz de operar a temperatura ambiente, que también exhibe la cuantificación tan deseada. "La red de kagome puede diseñarse para poseer cruces de bandas relativistas e interacciones fuertes entre electrones. Ambos son esenciales para el magnetismo novedoso. Por lo tanto, nos dimos cuenta de que los imanes de kagome son un sistema prometedor en el que buscar fases de imán topológico, ya que son como los aislantes topológicos que estudiamos antes, "dijo Hasan.

Por tanto tiempo, El material directo y la visualización experimental de este fenómeno sigue siendo difícil de alcanzar. El equipo descubrió que la mayoría de los imanes de kagome eran demasiado difíciles de sintetizar, el magnetismo no se entendió suficientemente bien, no se pudieron observar firmas experimentales decisivas de la topología o cuantificación, o funcionan solo a temperaturas muy bajas.

"Un diseño de estructura magnética y química atómica adecuado junto con la teoría de los primeros principios es el paso crucial para hacer que la predicción especulativa de Duncan Haldane sea realista en un entorno de alta temperatura, "dijo Hasan." Hay cientos de imanes de kagome, y necesitamos tanto la intuición, experiencia, cálculos específicos de materiales, e intensos esfuerzos experimentales para eventualmente encontrar el material adecuado para una exploración en profundidad. Y eso nos llevó a un viaje de una década ".

A través de varios años de intensa investigación sobre varias familias de imanes topológicos (Nature 562, 91 (2018); Nature Phys 15, 443 (2019), Phys. Rev. Lett. 123, 196604 (2019), Nature Commun. 11, 559 (2020), Phys. Rev. Lett. 125, 046401 (2020)), el equipo se dio cuenta gradualmente de que un material hecho de los elementos terbio, manganeso y estaño (TbMn6Sn6) tiene la estructura cristalina ideal con químicamente prístina, propiedades de la mecánica cuántica y capas de celosía de kagome espacialmente segregadas. Es más, presenta de forma única una fuerte magnetización fuera del plano. Con este imán de kagome ideal sintetizado con éxito a nivel de cristal único grande por colaboradores del grupo de Shuang Jia en la Universidad de Pekín, El grupo de Hasan comenzó mediciones sistemáticas de vanguardia para verificar si los cristales son topológicos y, más importante, presentan el estado magnético cuántico exótico deseado.

El equipo de investigadores de Princeton utilizó una técnica avanzada conocida como microscopía de túnel de barrido, que es capaz de sondear las funciones de onda electrónica y de espín de un material en la escala subatómica con resolución de energía submilivoltio. En estas perfectas condiciones, los investigadores identificaron los átomos de la red magnética de kagome en el cristal, hallazgos que fueron confirmados por espectroscopía de fotoemisión con resolución de ángulo de última generación con resolución de momento.

"La primera sorpresa fue que el enrejado magnético de Kagome en este material es súper limpio en nuestra microscopía de túnel de barrido, "dijo Songtian Sonia Zhang, coautora del estudio que obtuvo su Ph.D. en Princeton a principios de este año. "La visualización experimental de una red de kagome magnética libre de defectos ofrece una oportunidad sin precedentes para explorar sus propiedades cuánticas topológicas intrínsecas".

El verdadero momento mágico fue cuando los investigadores activaron un campo magnético. Descubrieron que los estados electrónicos de la red de kagome se modulan dramáticamente, formando niveles de energía cuantificados de una manera consistente con la topología de Dirac. Al elevar gradualmente el campo magnético a 9 Tesla, que es cientos de miles de veces más alto que el campo magnético de la tierra, mapearon sistemáticamente la cuantificación completa de este imán. "Es extremadamente raro (todavía no se ha encontrado uno) encontrar un sistema magnético topológico con el diagrama cuantificado. Requiere un diseño de material magnético casi libre de defectos, teoría afinada y mediciones espectroscópicas de vanguardia ", dijo Nana Shumiya, estudiante de posgrado y coautor del estudio.

El diagrama cuantificado que midió el equipo proporciona información precisa que revela que la fase electrónica coincide con una variante del modelo Haldane. Confirma que el cristal presenta una dispersión de Dirac polarizada en espín con una gran brecha de Chern, como esperaba la teoría de los imanes topológicos. Sin embargo, todavía faltaba una pieza del rompecabezas. "Si esto es realmente una brecha de Chern, luego basado en el principio fundamental topológico de límite de volumen, deberíamos observar estados quirales (tráfico unidireccional) en el borde del cristal, "Dijo Hasan.

La pieza final cayó en su lugar cuando los investigadores escanearon el límite o el borde del imán. Encontraron una firma clara de un estado de borde solo dentro de la brecha de energía de Chern. Propagándose a lo largo del costado del cristal sin aparente dispersión (lo que revela su carácter sin disipación), se confirmó que el estado era el estado de borde topológico quiral. La obtención de imágenes de este estado no tenía precedentes en ningún estudio previo de imanes topológicos.

Los investigadores utilizaron además otras herramientas para verificar y reconfirmar sus hallazgos de los fermiones de Dirac con brecha de Chern, incluidas las mediciones de transporte eléctrico de la escala de Hall anómala, espectroscopía de fotoemisión con resolución de ángulo de la dispersión de Dirac en el espacio de momento, y cálculos de primeros principios del orden topológico en la familia de materiales. Los datos proporcionaron un espectro completo de pruebas interconectadas, todas apuntando a la realización de una fase Chern de límite cuántico en este imán kagome. "Todas las piezas encajan en una demostración de libro de texto de la física de los fermiones magnéticos de Dirac con huecos de Chern, "dijo Tyler A. Cochran, estudiante de posgrado y co-primer autor del estudio.

Ahora, el enfoque teórico y experimental del grupo está cambiando a las docenas de compuestos con estructuras similares a TbMn6Sn6 que albergan redes de kagome con una variedad de estructuras magnéticas, cada uno con su topología cuántica individual. "Nuestra visualización experimental de la fase de Chern del límite cuántico demuestra una metodología de prueba de principio para descubrir nuevos imanes topológicos, "dijo Jia-Xin Yin, un investigador postdoctoral senior y otro co-primer autor del estudio.

"Esto es como descubrir agua en un exoplaneta:abre una nueva frontera en la investigación de la materia cuántica topológica para la que nuestro laboratorio en Princeton ha sido optimizado, "Dijo Hasan.