Un nuevo estudio proporciona la primera evidencia de partículas exóticas, conocidas como cuasipartículas topológicas cuádruples, en el monosilicida de cobalto de aleación metálica. Publicado en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias , este análisis exhaustivo, uno que combina datos experimentales con modelos teóricos, proporciona una comprensión detallada de este material. Estos conocimientos podrían utilizarse para diseñar este y otros materiales similares con propiedades únicas y controlables. El descubrimiento fue el resultado de una colaboración entre investigadores de Penn, Universidad de Friburgo, Centro Nacional Francés de Investigaciones Científicas (CNRS), Instituto Max Planck de Física Química de Sólidos, y Universidad de Maryland.

Las teorías que sustentan los aislantes topológicos, materiales con superficie conductora y núcleo aislante, fueron iniciados por Charlie Kane y Eugene Mele de Penn, ganadores del Premio Breakthrough 2019 en Física Fundamental. A través de sus contribuciones teóricas sobre topología y simetría, Kane y Mele postularon la existencia de esta nueva clase de materiales, los que podrían usarse para crear electrónica de alta eficiencia o plataformas de computación cuántica.

"Pero el deseo de todos los teóricos es que su trabajo se traduzca al mundo real, "dice el químico Andrew M. Rappe, que colabora con Kane y Mele en formas de descubrir materiales del mundo real que tienen estas propiedades exóticas. "La reciente contratación del profesor Liang Wu lleva a nuestro grupo de física topológica a un nuevo nivel, uno donde podamos entender los materiales y observar sus propiedades, todo en un cierre, bucle colaborativo ".

Desde que llegó a Penn en 2018, Wu y su laboratorio han utilizado experimentos de óptica para estudiar cómo la luz interactúa con los materiales topológicos y están interesados ​​en validar algunas de las teorías existentes sobre esta clase de materiales. El año pasado, El estudiante graduado Zhuoliang Ni estaba realizando experimentos con láser de pulso de luz con monosilicida de cobalto (CoSi) para comprender mejor la relación entre la topología y la óptica no lineal y ver si podían usar este material para convertir la luz en corriente eléctrica. Los datos que recopilaron parecían sugerir que podría haber algunas características topológicas únicas de CoSi. "Me di cuenta de que hay algo interesante en la conductividad óptica por sí misma, "dice Wu, quien luego se acercó a Mele y Rappe para desarrollar una teoría para ayudar a explicar los resultados de su experimento.

Si bien CoSi se había estudiado antes, los nuevos datos recopilados por el laboratorio de Wu eran de mayor calidad que el trabajo anterior, permitiendo a los investigadores desarrollar un modelo que proporcionó una explicación más sólida de sus hallazgos.

"Las predicciones de la física topológica sugirieron que este material debería tener algunas propiedades interesantes, como la conductividad óptica lineal con un aumento de la energía de los fotones, pero un material real tiene muchos fenómenos sucediendo al mismo tiempo, "dice Rappe." Los teóricos hacen gradualmente su modelo más complicado y realista, y los experimentalistas tienen en cuenta otras características para simplificar la presentación experimental. Así es como llegamos a un acuerdo sobre qué características se pueden atribuir a las propiedades topológicas ".

Después de casi un año de analizar datos e iterar sobre diferentes teorías, una de las cosas que se destacó fue lo bien que estos modelos, que van de lo simple a lo complejo, acordado unos con otros. "Es sorprendente ver este nivel de acuerdo por nosotros mismos, "dice el estudiante de posgrado Zhenyao Fang, quien dirigió la parte teórica de este estudio. "Algunos modelos se derivan puramente de teorías físicas, y algunos son modelos numéricos derivados de métodos de primeros principios, por eso es sorprendente observar este tipo de acuerdo entre ellos ".

Ahora, gracias a una combinación de datos más limpios y modelos teóricos robustos, esta cohesión entre la teoría y los experimentos demostrados en este artículo representa un gran paso adelante, dice Wu. "La concordancia entre el experimento y la teoría es muy buena, ", agrega." Aquí proporcionamos un ejemplo de una combinación completa de experiencia y comprensión teórica, y esto se puede aplicar a muchos otros materiales o sistemas nuevos que se descubrirán en el futuro ".

Debido a que CoSi pertenece a una familia de materiales con una estructura cristalina muy común, el material podría usarse en aleaciones con magnetismo que están diseñadas para tener propiedades magnéticas topológicas más complejas debido a la capacidad de controlar su diseño átomo por átomo.

Este trabajo es también una muestra de la experiencia de Penn en física topológica y allana el camino para futuros avances experimentales y teóricos en este campo en la Universidad. dice Rappe. "Ahora tenemos un grupo vibrante que fusiona esfuerzos en electrónica topológica y fotónica, ", dice." La física topológica está creciendo, y hemos abierto un camino que otras personas pueden seguir con otros materiales para diseñar propiedades optoelectrónicas deseables ".