Un equipo internacional dirigido por investigadores de la Universidad de Princeton ha descubierto un nuevo patrón de ordenamiento de la carga eléctrica en un nuevo material superconductor.

Los investigadores descubrieron el nuevo tipo de ordenamiento en un material que contiene átomos dispuestos en una estructura peculiar conocida como red de kagome. Si bien los investigadores ya comprenden cómo el giro del electrón puede producir magnetismo, Estos nuevos resultados proporcionan información sobre la comprensión fundamental de otro tipo de orden cuántico, a saber, magnetismo orbital, que aborda si la carga puede fluir espontáneamente en un bucle y producir magnetismo dominado por el movimiento orbital extendido de electrones en una red de átomos. Tales corrientes orbitales pueden producir efectos cuánticos inusuales, como efectos Hall anómalos, y ser un precursor de la superconductividad no convencional a temperaturas relativamente altas. El estudio fue publicado en la revista Materiales de la naturaleza .

"El descubrimiento de un nuevo orden de carga en un superconductor kagome con una estructura de banda topológica que también se puede sintonizar a través de un campo magnético es un gran paso adelante que podría desbloquear nuevos horizontes en el control y aprovechamiento de la topología cuántica y la superconductividad para la futura física fundamental y la próxima investigación de dispositivos de generación, "dijo M. Zahid Hasan, el profesor de física Eugene Higgins en la Universidad de Princeton, quien dirigió el equipo de investigación.

Las raíces del descubrimiento se encuentran en el funcionamiento de dos descubrimientos fundamentales en la década de 1980. Uno es el efecto Hall cuántico, un efecto topológico que ha sido objeto de investigaciones durante décadas. El efecto Hall fue el primer ejemplo de cómo una rama de las matemáticas teóricas, llamada topología, podría cambiar fundamentalmente la forma de describir y clasificar la materia que compone el mundo. En 1988 F. Duncan Haldane propuso importantes conceptos teóricos sobre el efecto Hall cuantificado, el Profesor Thomas D. Jones de Física Matemática y el Profesor de Física de la Universidad Sherman Fairchild, quien en 2016 fue galardonado con el Premio Nobel.

El segundo precedente fue el descubrimiento del superconductor no convencional de alta temperatura que fue objeto del Premio Nobel en 1987. El estado inusual de estos superconductores ha desconcertado a los científicos. A fines de la década de 1990, varios teóricos propusieron importantes conceptos teóricos sobre las corrientes de bucle como precursor de la superconductividad no convencional. En ambos casos, la propuesta clave es que la carga pueda fluir en una red especial para producir efectos como el magnetismo orbital. Sin embargo, La realización experimental directa de un tipo tan especulativo de orden de carga cuántica electrónica es extremadamente desafiante.

"La realización del orden de carga del tipo de corriente orbital requeriría que los materiales tuvieran interacciones fuertes y geometrías de celosía especiales que se realizaron solo en los últimos años, "dijo Hasan.

A través de varios años de intensa investigación sobre varios sistemas de celosía geométrica ( Naturaleza 562, 91 (2018); Naturaleza Phys 15, 443 (2019), Phys. Rev. Lett . 123, 196604 (2019), Naturaleza Comun . 11, 559 (2020), Phys. Rev. Lett . 125, 046401 (2020), Naturaleza 583, 533 (2020), Naturaleza Revisiones Física 3, 249 (2021), el equipo se dio cuenta gradualmente de que los superconductores kagome pueden albergar ese orden de carga de tipo topológico. En los últimos 40 años se han descubierto docenas de superconductores con celosías de kagome, pero ninguno mostró el patrón deseado. Un superconductor de kagome notable es AV3Sb5 (A =K, Rb, Cs), que los primeros experimentos han demostrado que contienen indicios de un orden oculto alrededor de 80 grados Kelvin, convirtiéndola en una plataforma plausible para buscar el orden de carga de tipo topológico.

"La superconductividad a menudo sugiere inestabilidades para la carga del sistema, y se sabe que la celosía de kagome es un sistema de celosía frustrado, "Dijo Hasan." Los superconductores kagome pueden formar varias órdenes de carga exóticas, incluido el orden de carga de tipo topológico relacionado con su estructura de banda global. Eso nos llevó a nuestra búsqueda en esta familia, aunque no estaba claro si esta superconductividad era poco convencional cuando comenzamos a trabajar en este material ".

El equipo de investigadores de Princeton utilizó una técnica avanzada conocida como microscopía de túnel de barrido de resolución subatómica, que es capaz de sondear las funciones de onda electrónica y de espín del material en la escala subatómica con una resolución de energía submilivoltio a temperaturas sub-Kelvin. En estas perfectas condiciones, los investigadores descubrieron un nuevo tipo de orden de carga que exhibe quiralidad, es decir, orientación en una dirección particular, en AV3Sb5.

"La primera sorpresa fue que los átomos del material se reorganizan en una estructura reticular de orden superior (superrejilla) que no se esperaba que estuviera allí en nuestros datos, "dijo Yuxiao Jiang, estudiante de posgrado en Princeton y uno de los primeros coautores del artículo. "Tal superrejilla nunca se ha visto en ningún otro sistema kagome conocido por nosotros".

La superrejilla fue el primer indicio para los investigadores de que podría haber algo poco convencional en este material. Los investigadores aumentaron aún más la temperatura del material para encontrar que la superrejilla desaparecía por encima de la temperatura crítica de la fase oculta estimada a partir del comportamiento de transporte eléctrico de la mayor parte del material.

"Esta consistencia nos da la confianza de que lo que observamos es más probable que sea un fenómeno de pedidos masivos en lugar de un efecto de superficie, "dijo Jia-Xin Yin, un investigador asociado y otro co-primer autor del estudio.

Hasan agregado, "Para un pedido de carga al por mayor, necesitamos examinar más a fondo si existe una brecha de energía y si la distribución de carga en el espacio real muestra alguna inversión a través de la brecha de energía ".

Los investigadores pronto comprobaron ambos puntos para confirmar de nuevo que el orden de carga inesperado muestra una sorprendente inversión de carga a través de la brecha de energía. que también desaparece a la misma temperatura crítica. La evidencia experimental acumulada estableció que los investigadores observaron un orden de carga en un material kagome, que nunca ha sido reportado en ningún otro sistema kagome.

"Ahora estamos en condiciones de hacer la pregunta más importante:¿puede ser un orden de carga topológica?" dijo Hasan.

Yin agregó, "Afortunadamente, a través de nuestra investigación sistemática de sistemas de celosía geométrica en los últimos años, Hemos desarrollado una metodología de microscopía de túnel de barrido basada en campos magnéticos vectoriales para explorar cualquier característica topológica potencial del material ".

Fundamentalmente, el campo magnético aplicado en un sistema electrónico conduce a una topología no trivial:el cuántico de flujo magnético (h / e) y la conductancia de Hall cuántica (Ne2 / h, relacionado con el número Chern N, un invariante topológico) se rigen por el mismo conjunto de constantes fundamentales, incluyendo la constante hy la carga elemental e de Planck; la naturaleza vectorial del campo puede interactuar diferencialmente con la quiralidad de la materia topológica para proporcionar acceso a los efectos relacionados con el invariante topológico.

Los investigadores realizaron experimentos sobre el orden de carga en el campo magnético cero, un campo magnético positivo, y un campo magnético negativo. "Antes de que se tomaran los datos, realmente no sabíamos qué pasaría, "Dijo Hasan.

Una vez que se completaron los experimentos, Jiang dijo:la respuesta a la pregunta del orden de carga de tipo topológico fue "sí".

"Descubrimos que el orden de carga en realidad exhibe una quiralidad detectable, que se puede cambiar por el campo magnético, "Dijo Jiang.

Los investigadores están entusiasmados con su descubrimiento inicial. "Antes de que se pudiera hacer la reclamación, todavía necesitábamos reproducir este resultado varias veces, para descartar efectos de la sonda de exploración, que pueden ser de naturaleza extrínseca, "dijo Yin.

Los investigadores pasaron varios meses para descubrir que este orden de carga quiral conmutable por campo magnético es omnipresente en KV3Sb5, RbV3Sb5 y CsV3Sb5. "Ahora estamos convencidos de que es una propiedad intrínseca de esta clase de material, "Agregó Hasan, "¡Y eso es muy emocionante!"

El campo magnético rompe explícitamente la simetría de inversión del tiempo. Por lo tanto, su observación muestra que el orden de carga quiral en la red de kagome rompe la simetría de inversión del tiempo. Esto es algo análogo con el modelo Haldane en la celosía de panal o el modelo Chandra Varma en la celosía CuO2.

Los investigadores identificaron además la consecuencia topológica directa de tal orden de carga quiral. Con la ayuda de los cálculos del primer principio de la estructura de la banda, el equipo descubrió que este orden de carga quiral producirá un gran efecto Hall anómalo con magnetismo orbital, lo cual es consistente con el resultado de transporte existente que fue interpretado de manera diferente en un trabajo anterior.

Ahora, el enfoque teórico y experimental del grupo se está desplazando a las docenas de compuestos con propiedades de banda plana de celosía kagome y también superconductividad. "Esto es como descubrir agua en un exoplaneta:abre una nueva frontera en la investigación de la materia cuántica topológica para la que nuestro laboratorio en Princeton ha sido optimizado, "Dijo Hasan.