Científicos del Laboratorio Ames del Departamento de Energía de EE. UU. Y colaboradores del Laboratorio Nacional Brookhaven y la Universidad de Alabama en Birmingham han descubierto un nuevo interruptor inducido por luz que retuerce la red cristalina del material. encendiendo una corriente de electrones gigante que parece casi no disiparse. El descubrimiento se realizó en una categoría de materiales topológicos que es muy prometedora para la espintrónica, transistores de efecto topológico, y computación cuántica.

Los semimetales de Weyl y Dirac pueden albergar exóticos, casi sin disipación, propiedades de conducción de electrones que aprovechan el estado único en la red cristalina y la estructura electrónica del material que protege a los electrones de hacerlo. Estos canales de transporte de electrones anómalos, protegido por simetría y topología, normalmente no ocurren en metales convencionales como el cobre. Después de décadas de ser descrito solo en el contexto de la física teórica, hay un interés creciente en fabricar, explorador, refinamiento y controlar sus propiedades electrónicas protegidas topológicamente para aplicaciones de dispositivos. Por ejemplo, La adopción a gran escala de la computación cuántica requiere la construcción de dispositivos en los que los estados cuánticos frágiles estén protegidos de las impurezas y los entornos ruidosos. Un enfoque para lograr esto es mediante el desarrollo de la computación cuántica topológica, en el que los qubits se basan en corrientes eléctricas sin disipación "protegidas por simetría" que son inmunes al ruido.

"Torsión de celosía inducida por la luz, o un interruptor fonónico, Puede controlar la simetría de inversión de cristal y fotogenerar corriente eléctrica gigante con una resistencia muy pequeña, "dijo Jigang Wang, científico principal del Laboratorio Ames y profesor de física en la Universidad Estatal de Iowa. "Este nuevo principio de control no requiere campos eléctricos o magnéticos estáticos, y tiene velocidades mucho más rápidas y menor costo de energía ".

“Este hallazgo podría extenderse a un nuevo principio de computación cuántica basado en la física quiral y el transporte de energía sin disipación, que puede correr velocidades mucho más rápidas, menor costo de energía y alta temperatura de operación ", dijo Liang Luo, científico del Laboratorio Ames y primer autor del artículo.

Wang, Luo, y sus colegas lograron precisamente eso, utilizando espectroscopía de luz láser de terahercios (un billón de ciclos por segundo) para examinar y empujar estos materiales para que revelen los mecanismos de conmutación de simetría de sus propiedades.

En este experimento, el equipo alteró la simetría de la estructura electrónica del material, utilizando pulsos de láser para torcer la disposición reticular del cristal. Este interruptor de luz habilita "puntos Weyl" en el material, haciendo que los electrones se comporten como partículas sin masa que pueden transportar el material protegido, baja corriente de disipación que se busca.

"Logramos esta corriente gigante sin disipación impulsando movimientos periódicos de átomos alrededor de su posición de equilibrio para romper la simetría de inversión de cristales, "dice Ilias Perakis, profesor de física y presidente de la Universidad de Alabama en Birmingham. "Este principio de control de topología y transporte semimetálico de Weyl inducido por la luz parece ser universal y será muy útil en el desarrollo de la electrónica y la computación cuántica del futuro con alta velocidad y bajo consumo de energía".

"Lo que nos ha faltado hasta ahora es un cambio rápido y de baja energía para inducir y controlar la simetría de estos materiales, "dijo Qiang Li, Líder de grupo del Grupo de Materiales de Energía Avanzada del Laboratorio Nacional de Brookhaven. "Nuestro descubrimiento de un interruptor de simetría de luz abre una oportunidad fascinante para transportar una corriente de electrones sin disipación, un estado topológicamente protegido que no se debilita ni se ralentiza cuando choca con imperfecciones e impurezas en el material ".

La investigación se analiza en mayor profundidad en el artículo "Un interruptor de simetría fonónico inducido por la luz y una fotocorriente topológica sin disipación gigante en ZrTe5, " publicado en Materiales de la naturaleza .