Los materiales topológicos se caracterizan por propiedades físicas y electrónicas únicas que están determinadas por la topología subyacente de sus sistemas electrónicos. Científicos de los Institutos Max Planck de Física de Microestructuras (Halle) y de Física Química de Sólidos (Dresde) han descubierto ahora que (TaSe ₄ ) ₂ I es el primer material en el que una onda de densidad de carga induce una transición de fase entre el estado semimetal al aislante.

Un equipo internacional de científicos del Instituto Max Planck de Física de Microestructuras, Halle (Saale), el Instituto Max Planck de Física Química de Sólidos en Dresde, Universidad de Oxford, Academia china de ciencias, MIT, y la Universidad de Princeton ha descubierto el primer ejemplo de una transición de fase de semimetal a aislante topológica impulsada por correlación en monocristales del material (TaSe ₄ ) ₂ I. En los últimos años ha habido un interés creciente en el campo de los materiales topológicos que muestran propiedades físicas y electrónicas únicas derivadas de la topología subyacente de sus sistemas electrónicos. (TaSe ₄ ) ₂ I es un material inusual que se sabe que sufre una distorsión estructural justo por debajo de la temperatura ambiente como resultado de una onda de densidad de carga.

Debido a las correlaciones de electrones, el gas de electrones en el sistema se vuelve inestable a una variación periódica de largo alcance de la densidad de carga electrónica que está íntimamente acoplada a una modulación periódica de las posiciones atómicas en la estructura cristalina. Al mismo tiempo, se ha demostrado que este mismo material es un metal topológico de un tipo particular, a saber, un semi-metal Weyl. Este tipo de metal topológico tiene un sistema electrónico que muestra puntos de Weyl donde las bandas electrónicas que se dispersan linealmente se cruzan entre sí sin formar una banda prohibida de energía. Estos puntos de Weyl en (TaSe ₄ ) ₂ Yo vengo en parejas, cada uno de los cuales tiene una quiralidad opuesta, y los autores del artículo muestran que (TaSe ₄ ) ₂ Tengo 24 pares de tales puntos con una enorme carga quiral correspondiente de +16.

En el estudio publicado en la revista Física de la naturaleza, utilizando un conjunto de sofisticadas sondas experimentales de la estructura electrónica y cristalina, el equipo internacional, cuyos miembros incluyen experimentales Claudia Felser, Director del Instituto Max Planck de Física Química de Sólidos, Holger Meyerheim, un investigador, y Stuart Parkin, Director, en el Instituto Max Planck de Física de Microestructuras, Yulin Chen de la Universidad de Oxford, y el teórico Andrei Bernevig de la Universidad de Princeton, demostró que las propiedades topológicas de este compuesto están íntimamente conectadas a la onda de densidad de carga, cuyo vector de onda se deriva de las conexiones entre puntos de Weyl de carga quiral opuesta.

"Fue muy desafiante, pero muy emocionante, para identificar la onda de densidad de carga en este material. Necesitábamos utilizar fuentes de rayos X muy brillantes disponibles, por ejemplo, en la instalación europea de radiación sincrotrón, Grenoble, para encontrar las firmas de picos de difracción muy débiles de la onda de densidad de carga, Meyerheim señaló. A medida que la muestra se enfría, fuertes correlaciones de electrones llevan al sistema al estado de onda de densidad de carga, lo que resulta en una transición de un semi-metal Weyl topológico a un aislante. Al mismo tiempo, nueva física, informado en un artículo anterior por los mismos grupos, aparece debajo de la transición.

"¿Quién hubiera creído que habríamos encontrado una física electrónica correlacionada tan sofisticada en un material tan 1-D? ", comenta Felser. Este trabajo muestra una conexión íntima entre la topología y las correlaciones y proporciona una vía para observar las realizaciones de materia condensada de la electrodinámica de axiones, un tipo novedoso de acoplamiento entre campos eléctricos y magnéticos, en un régimen que antes era inaccesible. un primer ejemplo, "Nuestros cálculos de las estructuras electrónicas de muchos materiales nos dan la certeza de que debe haber muchos más sistemas de este tipo donde las correlaciones y la topología se entrelazan", comentó Bernevig y "estamos emocionados de buscarlos en experimentos, ", agregó Yulin. Al manipular el inicio de la onda de densidad de carga, uno puede obtener acceso directo a la transición Topológica Weyl Semimetal-Axion Insulator". Estos materiales son un campo de juego rico para aplicaciones potenciales en dispositivos electrónicos futuros, un nuevo campo de lo que podríamos llamar "topaxtrónicos". Stuart Parkin predice.