Se inicia la búsqueda para descubrir nuevos estados de la materia, y posiblemente nuevas formas de codificación, manipulando y transporte de información. Uno de los objetivos es aprovechar las propiedades cuánticas de los materiales para las comunicaciones que van más allá de lo que es posible con la electrónica convencional. Los aislantes topológicos —materiales que actúan principalmente como aislantes pero transportan corriente eléctrica a través de su superficie— brindan algunas posibilidades tentadoras.

"Explorar la complejidad de los materiales topológicos, junto con otros intrigantes fenómenos emergentes como el magnetismo y la superconductividad, es una de las áreas de enfoque más emocionantes y desafiantes para la comunidad científica de materiales en el Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. "dijo Peter Johnson, un físico senior en la División de Ciencia de Materiales y Física de la Materia Condensada en Brookhaven. "Estamos tratando de comprender estos aislantes topológicos porque tienen muchas aplicaciones potenciales, particularmente en la ciencia de la información cuántica, una nueva área importante para la división ".

Por ejemplo, los materiales con esta personalidad de aislador / conductor dividido exhiben una separación en las firmas de energía de sus electrones superficiales con "espín" opuesto. Esta propiedad cuántica podría potencialmente aprovecharse en dispositivos "espintrónicos" para codificar y transportar información. Yendo un paso más allá acoplar estos electrones con el magnetismo puede conducir a fenómenos novedosos y emocionantes.

"Cuando tienes magnetismo cerca de la superficie, puedes tener estos otros estados exóticos de la materia que surgen del acoplamiento del aislante topológico con el magnetismo, "dijo Dan Nevola, un becario postdoctoral que trabaja con Johnson. "Si podemos encontrar aislantes topológicos con su propio magnetismo intrínseco, deberíamos ser capaces de transportar eficientemente electrones de un espín particular en una dirección particular ".

En un nuevo estudio recién publicado y destacado como sugerencia del editor en Cartas de revisión física , Nevola, Johnson, y sus coautores describen el peculiar comportamiento de uno de esos aislantes topológicos magnéticos. El artículo incluye evidencia experimental de que el magnetismo intrínseco en la mayor parte del telururo de bismuto de manganeso (MnBi2Te4) también se extiende a los electrones en su superficie conductora de electricidad. Los estudios anteriores no habían sido concluyentes en cuanto a si existía o no el magnetismo superficial.

Pero cuando los físicos midieron la sensibilidad de los electrones superficiales al magnetismo, sólo uno de los dos estados electrónicos observados se comportó como se esperaba. Otro estado de superficie que se esperaba que tuviera una respuesta más amplia, actuó como si el magnetismo no estuviera allí.

"¿El magnetismo es diferente en la superficie? ¿O hay algo exótico que simplemente no entendemos?" Dijo Nevola.

Johnson se inclina hacia la explicación de la física exótica:"Dan hizo este experimento muy cuidadoso, lo que le permitió observar la actividad en la región de la superficie e identificar dos estados electrónicos diferentes en esa superficie, uno que pueda existir en cualquier superficie metálica y uno que refleje las propiedades topológicas del material, ", dijo." El primero era sensible al magnetismo, lo que prueba que el magnetismo sí existe en la superficie. Sin embargo, el otro que esperábamos que fuera más sensible no tenía sensibilidad alguna. Entonces, debe haber algo de física exótica! "

Las medidas

Los científicos estudiaron el material utilizando varios tipos de espectroscopía de fotoemisión, donde la luz de un pulso de láser ultravioleta golpea los electrones sueltos de la superficie del material hacia un detector para su medición.

"Para uno de nuestros experimentos, Usamos un pulso de láser infrarrojo adicional para darle a la muestra una pequeña patada para mover algunos de los electrones antes de realizar la medición. ", Explicó Nevola." Toma algunos de los electrones y los impulsa [hacia arriba en energía] para que se conviertan en electrones conductores. Luego, en muy, En escalas de tiempo muy cortas (picosegundos), se mide para ver cómo han cambiado los estados electrónicos en respuesta ".

El mapa de los niveles de energía de los electrones excitados muestra dos bandas de superficie distintas, cada una de las cuales presenta ramas separadas, electrones en cada rama que tienen espín opuesto. Ambas bandas, cada uno representa uno de los dos estados electrónicos, se esperaba que respondieran a la presencia de magnetismo.

Para probar si estos electrones de superficie eran realmente sensibles al magnetismo, los científicos enfriaron la muestra a 25 Kelvin, permitiendo que surja su magnetismo intrínseco. Sin embargo, solo en el estado electrónico no topológico observaron una "brecha" que se abría en la parte anticipada del espectro.

"Dentro de tales lagunas, se prohíbe la existencia de electrones, y así su desaparición de esa parte del espectro representa la firma de la brecha, "Dijo Nevola.

La observación de una brecha que aparece en el estado de la superficie regular fue evidencia definitiva de sensibilidad magnética, y evidencia de que el magnetismo intrínseco en la mayor parte de este material en particular se extiende a sus electrones de superficie.

Sin embargo, el estado electrónico "topológico" que estudiaron los científicos no mostró tal sensibilidad al magnetismo, no hubo brecha.

"Eso arroja un pequeño signo de interrogación, "Dijo Johnson.

"Estas son propiedades que nos gustaría poder comprender y diseñar, al igual que diseñamos las propiedades de los semiconductores para una variedad de tecnologías, Johnson continuó.

En espintrónica, por ejemplo, la idea es usar diferentes estados de espín para codificar información de la misma manera que las cargas eléctricas positivas y negativas se usan actualmente en los dispositivos semiconductores para codificar los "bits" (1 y 0) del código de computadora. Pero bits cuánticos codificados por espín, o qubits, tener muchos más estados posibles, no solo dos. Esto ampliará enormemente el potencial para codificar información de formas nuevas y poderosas.

"Todo lo relacionado con los aislantes topológicos magnéticos parece que son adecuados para este tipo de aplicación tecnológica, pero este material en particular no cumple con las reglas, "Dijo Johnson.

Y ahora, a medida que el equipo continúa su búsqueda de nuevos estados de la materia y más conocimientos sobre el mundo cuántico, Existe una nueva urgencia por explicar el peculiar comportamiento cuántico de este material en particular.