Electrones en un metal cuántico topológico esperando ser activados por un campo magnético. Una vez que comienzan a moverse, siguen una hélice en espiral hacia arriba, en contraste con la imagen propuesta anteriormente de electrones moviéndose en círculos en un plano bidimensional. Esto crea un efecto especial que es la base de los fenómenos cuánticos topológicos prometedores. Crédito:Jörg Bandmann
Los científicos del Cluster of Excellence ct.qmat — Complejidad y topología en materia cuántica han desarrollado una nueva comprensión de cómo se comportan los electrones en campos magnéticos fuertes. Sus resultados explican las mediciones de corrientes eléctricas en materiales tridimensionales que señalan un efecto Hall cuántico, un fenómeno hasta ahora solo asociado con metales bidimensionales. Este nuevo efecto 3D puede ser la base de los fenómenos cuánticos topológicos, que se cree que son candidatos particularmente robustos y, por lo tanto, prometedores para tecnologías cuánticas extremadamente poderosas. Estos resultados se acaban de publicar en la revista científica Comunicaciones de la naturaleza .
El Dr. Tobias Meng y el Dr. Johannes Gooth son investigadores de carrera temprana en el Clúster de Excelencia de Würzburg-Dresdner ct.qmat que investiga materiales cuánticos topológicos desde 2019. Apenas podían creer los hallazgos de una publicación reciente en Naturaleza afirmando que los electrones en la pentatelurida de circonio de metal topológico (ZrTe 5 ) se mueven solo en planos bidimensionales, a pesar de que el material es tridimensional. Por lo tanto, Meng y Gooth comenzaron sus propias investigaciones y experimentos sobre el material ZrTe 5 . Meng de la Technische Universität Dresden (TUD) desarrolló el modelo teórico, Gooth del Instituto Max Planck de Física Química de Sólidos diseñó los experimentos. Siete mediciones con diferentes técnicas siempre conducen a la misma conclusión.
Electrones esperando su turno
La investigación de Meng y Gooth pinta una nueva imagen de cómo funciona el efecto Hall en materiales tridimensionales. Los científicos creen que los electrones se mueven a través del metal a lo largo de trayectorias tridimensionales, pero su transporte eléctrico todavía puede parecer bidimensional. En el pentatelururo de circonio de metal topológico, esto es posible porque una fracción de los electrones todavía está esperando ser activada por un campo magnético externo.
"La forma en que se mueven los electrones es consistente en todas nuestras mediciones, y similar a lo que se conoce de los efectos Hall cuánticos bidimensionales. Pero nuestros electrones se mueven hacia arriba en espirales, en lugar de limitarse a un movimiento circular en planos. Esta es una diferencia emocionante con el efecto Hall cuántico y con los escenarios propuestos para lo que sucede en el material ZrTe5, ", comenta Meng sobre la génesis de su nuevo modelo científico." Esto solo funciona porque no todos los electrones se mueven en todo momento. Algunos permanecen quietos como si estuvieran haciendo cola. Sólo cuando se aplica un campo magnético externo se activan ".
Resistividad Hall en función del campo magnético aplicado a 2 K en unidades de la constante de Planck h, la carga elemental e y el vector de onda de Fermi a lo largo del campo magnético aplicado kF, z Se muestra un esquema de la muestra en la parte superior izquierda. La superficie de Fermi tridimensional de los electrones en ZrTe5 se muestra en la parte inferior derecha. Crédito:© MPI CPfS
Los experimentos confirman el modelo
Por sus experimentos, los científicos enfriaron el material cuántico topológico hasta -271 grados Celsius y aplicaron un campo magnético externo. Luego, realizaron mediciones eléctricas y termoeléctricas enviando corrientes a través de la muestra, estudió su termodinámica analizando las propiedades magnéticas del material, y ultrasonido aplicado. Incluso usaron rayos X, Espectroscopía Raman y electrónica para observar el funcionamiento interno del material. "Pero ninguna de nuestras siete mediciones insinuaba que los electrones se movieran solo en dos dimensiones, "explica Meng, jefe del grupo Emmy Noether de Diseño Cuántico en TUD y principal teórico del presente proyecto. "Nuestro modelo es sorprendentemente simple, y todavía explica perfectamente todos los datos experimentales ".
Perspectiva de los materiales cuánticos topológicos en 3D
El efecto Hall cuántico, ganador del premio Nobel, se descubrió en 1980 y describe la conducción gradual de la corriente en un metal. Es una piedra angular de la física topológica, un campo que ha experimentado un auge desde 2005 debido a sus promesas para los materiales funcionales del siglo XXI. Hasta la fecha, sin embargo, el efecto Hall cuántico solo se ha observado en metales bidimensionales. Los resultados científicos de la presente publicación amplían la comprensión de cómo se comportan los materiales tridimensionales en los campos magnéticos. Los miembros del cúmulo Meng y Gooth tienen la intención de seguir persiguiendo esta nueva dirección de investigación:"Definitivamente queremos investigar el comportamiento de las colas de electrones en metales 3D con más detalle, "dice Meng.
