Los investigadores han descubierto un efecto Hall de "capa" en un chip de estado sólido construido con telururo de bismuto de manganeso antiferromagnético, un hallazgo que señala un estado de aislamiento de Axion topológico muy buscado, el equipo informa en la edición actual de la revista Naturaleza .

Los investigadores han estado tratando de encontrar evidencia de un estado topológico de aislamiento Axion (TAI) y desarrollaron algunos materiales candidatos basados ​​en cálculos teóricos. El efecto Hall en capas representa la primera evidencia experimental clara del estado, una característica limitada por las leyes de la física cuántica, según el profesor asistente de física de Boston College Qiong Ma, un investigador senior del proyecto, que incluyó a 36 científicos de universidades en los EE. UU., Japón, Porcelana, Taiwán Alemania, e India.

Los investigadores creen que cuando se comprende completamente, TAI se puede utilizar para fabricar semiconductores con aplicaciones potenciales en dispositivos electrónicos, Dijo mamá. Las propiedades altamente inusuales de Axions apoyarán una nueva respuesta electromagnética llamada efecto magnetoeléctrico topológico, allanando el camino para realizar ultrasensibles, ultrarrápido y sensores sin disipación, detectores y dispositivos de memoria.

En el centro de esta línea de investigación entre físicos y científicos de materiales se encuentran Axiones, partículas de interacción débil postuladas por primera vez por teóricos hace más de 30 años, Dijo mamá. Son uno de los principales candidatos para Dark Matter, una forma misteriosa de materia que se cree que representa aproximadamente el 85 por ciento del universo.

Si bien la búsqueda de axiones en la física de altas energías continúa activamente, Recientemente se ha propuesto que los Axiones se pueden realizar como cuasi-partículas en materiales en estado sólido. El candidato principal como el lugar para ubicar Axiones está en un material TAI cuántico, donde los investigadores sugieren que los axiones existen como excitaciones electrónicas de baja energía, Dijo mamá.

"Nos propusimos buscar el estado de aislamiento topológico de Axion en un dispositivo cuántico cuidadosamente diseñado hecho de MnBi2Te4 en capas de números pares, o telururo de bismuto de manganeso, "Ma dijo." Estudios anteriores han demostrado el estado aislante, a saber, resistencia muy grande, cual es, sin embargo, cierto para cualquier aislante. Queríamos demostrar aún más las propiedades que son exclusivas de los aisladores Axion y que no existen en los aisladores normales, como el diamante ".

El material forma una estructura de cristal en capas bidimensional, lo que permitió a Ma y sus colegas exfoliar mecánicamente escamas del grosor de un átomo con cinta de celofán que se puede encontrar en la mayoría de las farmacias y supermercados. Se propuso que las estructuras de escamas delgadas con un número par de capas fueran un aislante Axion.

Ma trabajó en estrecha colaboración con los físicos Brian Zhou y Kenneth Burch del Boston College. Zhou utilizó una técnica cuántica única para detectar el magnetismo de MnBi2Te4. Burch tiene una instalación de caja de guantes única que se utiliza para procesar la muestra en un entorno inerte.

"Primero caracterizamos el número de capa con métodos ópticos y luego realizamos mediciones de transporte eléctrico, como medir la resistencia de la muestra en diferentes condiciones, incluyendo campo eléctrico variable, campo magnético y temperatura ambiental, "Dijo mamá.

Los investigadores encontraron el efecto Hall, una conocida ley de la física donde los electrones viajan en un ángulo desde el eje bajo la influencia de un campo magnético aplicado. Pero en este caso, estos electrones viajaban sin tal ayuda, Dijo mamá. La clave fue la topología de los materiales, o las características cuánticas de sus electrones y las ondas en las que funcionan.

"Observamos una propiedad novedosa para los electrones que viajan a través de este material en su estado de aislamiento Axion:los electrones no viajan en línea recta; en cambio, se desvían hacia la dirección transversal. Este efecto generalmente solo se observaba bajo un gran campo magnético, conocido como el efecto Hall, "Ma dijo". Pero aquí, la deflexión se produce debido a la topología inherente de los materiales y sin campo magnético externo. Más interesante aún, los electrones se desvían hacia lados opuestos en las capas superior e inferior. Por lo tanto, lo acuñamos como la capa efecto Hall. El efecto Hall de la capa sirve como una firma distintiva del estado de aislamiento topológico de Axion, lo que no sucederá en los aisladores regulares ".

Mamá, cuya investigación sobre el proyecto cuenta con el apoyo del Departamento de Energía de EE. UU., dijo que el equipo se sorprendió al descubrir que el estado de aislamiento topológico de Axion y el efecto Hall de la capa pueden ser controlados de manera efectiva por el llamado campo Axion, que es el producto de aplicar tanto un campo eléctrico como un campo magnético.

"Esto significa que si los electrones se desvían hacia la izquierda o hacia la derecha en las capas superior e inferior se puede cambiar mediante la aplicación colectiva de los campos eléctricos y magnéticos, "Dijo Ma." Un solo campo no es capaz de cambiar una situación a la otra ".

Profesor asistente de química de la Universidad de Harvard, Suyang Xu, un autor principal del informe, adicional, "Estamos muy entusiasmados con este trabajo porque demuestra la primera plataforma realista para el estado topológico del aislador Axion".

Ma dijo que la identificación del estado de aislamiento topológico de Axion conduce al siguiente paso de búsqueda de firmas de la dinámica definitoria de Axion en este sistema, que se conoce como el efecto magnetoeléctrico topológico (ME).

"El efecto ME topológico es un mecanismo fundamentalmente nuevo para convertir la electricidad en magnetismo, o viceversa, sin perder energía, y tiene un gran potencial para realizar dispositivos espintrónicos y de memoria ultraeficientes en energía, "dijo mamá.

Para demostrarlo se requerirá una mayor optimización de la calidad del material, la geometría del dispositivo, y capacidades experimentales ampliadas, Dijo mamá.