Los electrones de un sólido ocupan distintas bandas de energía separadas por espacios. Las bandas de energía son una "tierra de nadie" electrónica "un rango de energía en el que no se permiten electrones. Ahora, científicos que estudian un compuesto que contiene hierro, telurio, y el selenio han descubierto que una banda prohibida de energía se abre en un punto donde dos bandas de energía permitidas se cruzan en la superficie del material. Observaron este comportamiento electrónico inesperado cuando enfriaron el material y sondearon su estructura electrónica con luz láser. Sus hallazgos, reportado en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias , podría tener implicaciones para la futura ciencia de la información cuántica y electrónica.

El compuesto en particular pertenece a la familia de superconductores de alta temperatura a base de hierro, que fueron descubiertos inicialmente en 2008. Estos materiales no solo conducen electricidad sin resistencia a temperaturas relativamente más altas (pero aún muy frías) que otras clases de superconductores, sino que también muestran propiedades magnéticas.

"Por un momento, la gente pensaba que la superconductividad y el magnetismo funcionarían entre sí, "dijo el primer autor Nader Zaki, un científico asociado en el Grupo de Espectroscopía Electrónica de la División de Física de la Materia Condensada y Ciencia de los Materiales (CMPMS) en el Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE). "Hemos explorado un material donde ambos se desarrollan al mismo tiempo".

Aparte de la superconductividad y el magnetismo, algunos superconductores basados ​​en hierro tienen las condiciones adecuadas para albergar estados de superficie "topológicos". La existencia de estos estados electrónicos únicos, localizados en la superficie (no existen en la mayor parte del material), refleja fuertes interacciones entre el espín de un electrón y su movimiento orbital alrededor del núcleo de un átomo.

"Cuando tienes un superconductor con propiedades de superficie topológicas, estás emocionado por la posibilidad de una superconductividad topológica, "dijo el autor correspondiente Peter Johnson, líder del Grupo de Espectroscopía Electrónica. "La superconductividad topológica es potencialmente capaz de soportar fermiones de Majorana, que podrían servir como qubits, los bloques de construcción de almacenamiento de información de las computadoras cuánticas ".

Las computadoras cuánticas prometen una tremenda aceleración para los cálculos que tomarían una cantidad de tiempo poco práctica o serían imposibles en las computadoras tradicionales. Uno de los desafíos para realizar la computación cuántica práctica es que los qubits son muy sensibles a su entorno. Las pequeñas interacciones hacen que pierdan su estado cuántico y, por lo tanto, la información almacenada se pierde. La teoría predice que los fermiones de Majorana (cuasipartículas buscadas) que existen en los estados de superficie topológicos superconductores son inmunes a las perturbaciones ambientales, haciéndolos una plataforma ideal para qubits robustos.

Al ver los superconductores basados ​​en hierro como una plataforma para una variedad de fenómenos exóticos y potencialmente importantes, Zaki, Johnson, y sus colegas se propusieron comprender los roles de la topología, superconductividad y magnetismo.

Genda Gu, físico senior de la División CMPMS, primero cultivó monocristales de alta calidad del compuesto a base de hierro. Luego, Zaki trazó un mapa de la estructura de la banda electrónica del material mediante espectroscopia de fotoemisión basada en láser. Cuando la luz de un láser se enfoca en un pequeño punto del material, los electrones de la superficie son "expulsados" (es decir, fotoemitida). Entonces se puede medir la energía y el momento de estos electrones.

Cuando bajaron la temperatura, sucedió algo sorprendente.

"El material se volvió superconductor, como esperábamos, y vimos una brecha superconductora asociada con eso, ", dijo Zaki." Pero lo que no esperábamos fue que el estado de la superficie topológica abriera una segunda brecha en el punto de Dirac. Puede imaginar la estructura de la banda de energía de este estado de superficie como un reloj de arena o dos conos unidos en su vértice. Donde estos conos se cruzan se llama punto de Dirac ".

Como explicaron Johnson y Zaki, cuando se abre una brecha en el punto de Dirac, es evidencia de que se ha roto la simetría de inversión del tiempo. La simetría de inversión del tiempo significa que las leyes de la física son las mismas tanto si mira un sistema que avanza como si retrocede en el tiempo, similar a rebobinar un video y ver la misma secuencia de eventos en reversa. Pero bajo la inversión del tiempo los espines de los electrones cambian de dirección y rompen esta simetría. Por lo tanto, Una de las formas de romper la simetría de inversión del tiempo es mediante el desarrollo del magnetismo, específicamente, ferromagnetismo, un tipo de magnetismo en el que todos los espines de los electrones se alinean de forma paralela.

"El sistema está entrando en un estado superconductor y aparentemente se está desarrollando magnetismo, ", dijo Johnson." Tenemos que asumir que el magnetismo está en la región de la superficie porque en esta forma no puede coexistir en la mayor parte. Este descubrimiento es emocionante porque el material tiene muchas físicas diferentes:superconductividad, topología, y ahora magnetismo. Me gusta decir que es una ventanilla única. Comprender cómo surgen estos fenómenos en el material podría proporcionar una base para muchas direcciones tecnológicas nuevas y emocionantes ".

Como se señaló anteriormente, La superconductividad del material y los fuertes efectos de la órbita de espín podrían aprovecharse para las tecnologías de la información cuántica. Alternativamente, El magnetismo del material y las fuertes interacciones espín-órbita podrían permitir el transporte sin disipación (sin pérdida de energía) de corriente eléctrica en la electrónica. Esta capacidad podría aprovecharse para desarrollar dispositivos electrónicos que consuman poca energía.

Coautores Alexei Tsvelik, científico senior y líder de grupo del Grupo de Teoría de la Materia Condensada de la División CMPMS, y Congjun Wu, profesor de física en la Universidad de California, San Diego, proporcionó conocimientos teóricos sobre cómo se rompe la simetría de inversión del tiempo y se origina el magnetismo en la región de la superficie.

"Este descubrimiento no solo revela conexiones profundas entre los estados superconductores topológicos y la magnetización espontánea, sino que también proporciona información importante sobre la naturaleza de las funciones de brecha superconductora en superconductores basados ​​en hierro, un problema sobresaliente en la investigación de superconductores no convencionales fuertemente correlacionados. "dijo Wu.

En un estudio separado con otros colaboradores de la División CMPMS, el equipo experimental está examinando cómo las diferentes concentraciones de los tres elementos en la muestra contribuyen a los fenómenos observados. Aparentemente, se necesita telurio para los efectos topológicos, demasiado hierro mata la superconductividad, y el selenio mejora la superconductividad.

En experimentos de seguimiento, el equipo espera verificar la ruptura de la simetría de inversión del tiempo con otros métodos y explorar cómo la sustitución de elementos en el compuesto modifica su comportamiento electrónico.

"Como científicos de materiales, nos gusta alterar los ingredientes de la mezcla para ver qué pasa, ", dijo Johnson." El objetivo es descubrir cómo la superconductividad, topología, y el magnetismo interactúan en estos materiales complejos ".