Liderando una colaboración de instituciones en los EE. UU. Y en el extranjero, El Departamento de Química de la Universidad de Princeton informa nuevas propiedades topológicas de la pirita magnética Disulfuro de cobalto (CoS ₂ ) que amplían nuestra comprensión de los canales eléctricos en este material investigado durante mucho tiempo.

Usando espectroscopía de fotoelectrones de resolución angular y cálculos ab-initio, Los investigadores que trabajan con Schoop Lab descubrieron la presencia de nodos de Weyl en CoS2 a granel que les permite hacer predicciones sobre sus propiedades superficiales. El material alberga estados de superficie Weyl-fermions y Fermi-arc dentro de su estructura de banda, lo que puede permitirle servir como plataforma para fenómenos exóticos y colocarlo entre los materiales candidatos para su uso en dispositivos espintrónicos.

La investigación también resuelve un debate de larga data, probando que CoS ₂ no es un verdadero medio metal. Un semimetal es cualquier sustancia que actúa como conductor de electrones de una orientación de giro, pero como aislante o semiconductor de los de orientación opuesta. Aunque todos los semimetales son ferromagnéticos, la mayoría de los ferroimanes no son semimetales. Este hallazgo de que CoS ₂ no es un medio metal tiene implicaciones importantes para la ingeniería de materiales y dispositivos.

Leslie Schoop, profesor asistente de química en Princeton Chemistry, llamó a la obra "un redescubrimiento de nueva física en un material antiguo". La investigación fue publicada esta semana en Avances de la ciencia .

CoS ₂ ha sido objeto de estudio durante muchas décadas debido a su magnetismo itinerante, y desde principios de la década de 2000, antes de que se predijeran y descubrieran los aislantes topológicos, debido a su potencial para ser medio metal. Los investigadores estaban "felices" de poner fin a esta última discusión.

A través de la investigación de Schoop, Se descubrió que el material era un raro ejemplo de ese grupo de metales topológicos magnéticos propuestos como agentes de conversión de carga a espín. Desenredando la estructura electrónica a granel y de superficie de CoS ₂ , Los investigadores han demostrado que existe una relación entre los canales electrónicos en el material interno que pueden predecir otros estados en su superficie. En un material, una corriente eléctrica puede atravesar la masa o fluir a lo largo de la superficie. Los investigadores encontraron que CoS a granel ₂ contiene objetos llamados nodos de Weyl dentro de su estructura que sirven como canales electrónicos que pueden predecir otros estados en la superficie.

"La hermosa física aquí es que tienes estos nodos de Weyl que exigen estados de superficie de espín polarizado. Estos pueden recolectarse para aplicaciones espintrónicas, "dijo Schoop.

"Estos estados electrónicos que solo existen en la superficie tienen quiralidad asociada a ellos, y debido a esa quiralidad, los electrones también solo pueden moverse en ciertas direcciones, ", agregó." Algunas personas piensan en usar estos estados quirales en otras aplicaciones. No hay muchos materiales magnéticos donde se hayan encontrado antes ".

La quiralidad se refiere a esa propiedad que hace que un objeto o sistema sea indistinguible de su imagen especular, es decir. no superponible, y es una propiedad importante en muchas ramas de la ciencia.

Schoop agregó que los canales electrónicos están polarizados. Este magnetismo podría potencialmente usarse para manipular el material:los científicos pueden cambiar la dirección de magnetización y los estados de la superficie podrían reconfigurarse como respuesta a este campo magnético aplicado.

Coautora del artículo Maia Vergniory, del Centro Internacional de Física de Donostia en España, adicional, "Hay muy pocos materiales magnéticos que se han medido para tener tales estados de superficie, o arcos de Fermi, y este es como el cuarto, ¿Derecha? Entonces, es realmente sorprendente que pudiéramos medir y comprender los canales de giro en un material que se conocía durante tanto tiempo ".

Como colegas en 2016, Schoop y Vergniory discutieron la investigación de las propiedades materiales de CoS ₂ , particularmente si podría clasificarse como un verdadero medio metal. La investigación pasó por varias iteraciones después de que Schoop llegara a Princeton en 2017, y fue trabajado por estudiantes graduados de Schoop y Vergniory en Donostia.

Niels Schröter, colega del Instituto Paul Scherrer en Suiza y autor principal del artículo, supervisó el equipo de Swiss Light Source que trazó el material de los nodos de Weyl.

"Lo que queríamos medir no era solo la estructura electrónica de la superficie, ", dijo Schröter." También queríamos aprender algo sobre las propiedades electrónicas a granel, y para obtener estos dos datos complementarios, tuvimos que usar la línea de luz especializada ADRESS en la fuente de luz suiza para sondear electrones en la profundidad de la mayor parte del material ".

Schröter explicó cómo los ingenieros podrían construir un dispositivo en el futuro utilizando este material.

"Ponerías este material en contacto con otro material, por ejemplo, con un aislante magnético o algo así en el que luego desea crear ondas magnéticas haciendo pasar una corriente eléctrica a través de él.

"La belleza de estos materiales topológicos es que estos electrones interfaciales que pueden usarse para la inyección de espín, son muy robustos. No puedes deshacerte de ellos fácilmente. Aquí es donde estos campos de la topología y la espintrónica pueden encontrarse, porque la topología es quizás una forma de asegurarse de que tiene estos estados de interfaz de espín polarizado en contacto con otros materiales magnéticos que le gustaría controlar con corrientes o campos ".

Schoop agregado, "Creo que este tipo de redescubrimiento en este material tan antiguo y bien estudiado es muy emocionante, y me alegro de tener a estos dos increíbles colaboradores que ayudaron a concretarlo ".