Figura 1. El orden magnético helicoidal complejo en EuIn2As2 (derecha) soporta un estado de aislante de axiones con conos de Dirac sin espacios (izquierda) que ocurren en superficies penetradas y perpendiculares a las flechas azules de la estructura magnética. Estas superficies soportan la conducción quiral sin resistencia. Otras superficies están espaciadas y exhiben una conducción de tipo Hall anómalo cuántico medio entero en los bordes de la muestra. Crédito:Laboratorio Ames
Los científicos del Laboratorio Ames del Departamento de Energía de EE. UU. Han observado un nuevo orden magnético helicoidal en el compuesto topológico EuIn 2 Como 2 que admite conducción eléctrica exótica sintonizable por un campo magnético. El descubrimiento tiene implicaciones significativas para la investigación básica de las propiedades topológicas funcionales y algún día puede encontrar uso en una serie de aplicaciones de tecnología avanzada.
Los materiales topológicos irrumpieron en escena en las ciencias físicas hace unos quince años, décadas después de que se teorizara su existencia. Llamado "topológico" porque sus bandas electrónicas a granel están "anudadas" juntas, las superficies de los aislantes topológicos "desatan el nudo" y se vuelven metálicas. Los investigadores del Centro para el Avance de Semimetales Topológicos (CATS) del Laboratorio Ames están buscando descubrir, comprender, y controlar las excepcionales propiedades de conducción de estos materiales.
Gran parte de la tecnología moderna se basa en materiales cristalinos, que son sólidos compuestos por una disposición repetida (periódica) de átomos que forma una red. Debido a la periodicidad, la celosía se ve igual después de ciertas operaciones de simetría, como la traducción, rotaciones específicas, espejo, y / o inversión. La existencia o ausencia de estas simetrías afecta la topología de la banda electrónica y la conducción electrónica de superficie. El ordenamiento magnético puede modificar las simetrías exhibidas por el material, proporcionando un medio adicional para controlar el estado topológico.
En colaboración con científicos de la fuente de neutrones de espalación del Laboratorio Nacional de Oak Ridge, Universidad McGill, y el Centro de Reactores de Investigación de la Universidad de Missouri, el equipo de CATS descubrió la existencia de ordenamiento magnético helicoidal de baja simetría en EuIn 2 Como 2 que soporta un estado topológico muy buscado llamado aislante de axiones. Este estado comparte similitudes con la partícula axiónica en cromodinámica cuántica, que es un componente candidato de la materia oscura. En materiales de estado sólido, proporciona un notable acoplamiento paralelo entre propiedades magnéticas y eléctricas.
En presencia del complejo ordenamiento magnético helicoidal de EuIn 2 Como 2 , el estado del axión conduce a características topológicas en el espectro electrónico de superficie llamadas conos de Dirac. Cuando ocurre un cono de Dirac en una superficie del material penetrada por un eje fundamental del ordenamiento magnético, el cono no tiene espacio de energía y la superficie exhibe conducción sin resistencia ligada a la orientación del espín electrónico. Las otras superficies tienen conos de Dirac con huecos y admiten conducción eléctrica cuantificada de medio entero. Los investigadores predicen que la aplicación de un campo magnético relativamente moderado cambia qué superficies soportan qué tipo de cono de Dirac, permitiendo afinar la conducción superficial.
La capacidad de cambiar entre estados de superficie mediante un campo magnético proporciona una vía experimental para examinar las propiedades únicas de sus estados topológicos. Esta capacidad de sintonización también es prometedora para tecnologías como los sensores de alta precisión, nanocables sin resistencia, medios de almacenamiento magnéticos, y computadoras cuánticas. Los estudios futuros analizarán los cristales a granel mientras se aplica un campo magnético y sintetizarán y estudiarán películas delgadas a nanoescala para allanar el camino para las aplicaciones tecnológicas.
El papel, "Electrodinámica de axiones magnéticos protegidos con simetría cristalina y conos de Dirac sin clavijas sintonizables en campo en EuIn 2 Como 2 , "se publica en Comunicaciones de la naturaleza .
