Ya sea que mire hacia el espacio o mire profundamente en el reino microscópico, siempre hay más para ver. En el caso de los sólidos, existe un mundo de átomos y partículas llenos de actividad que, en última instancia, conduce a propiedades útiles como la conducción eléctrica, el magnetismo y el aislamiento.

Una de las herramientas más poderosas para ver lo invisible es un microscopio de túnel de barrido o STM para abreviar. En lugar de una lente óptica, su poderoso ojo proviene de una corriente eléctrica que pasa entre la punta del microscopio y el material de muestra. La punta escanea la muestra y produce una señal que cambia según la disposición de los átomos dentro de un material determinado. En conjunto, los escaneos mapean superficies con resolución subnanométrica, revelando electrones y ubicaciones de átomos individuales.

Recientemente, un equipo de investigadores de IQUIST en la Universidad de Illinois Urbana-Champaign agregó un giro a su STM al reemplazar la punta con un nanocable hecho de un material exótico, hexaboruro de samario (SmB₆ ). Utilizan el nanocable para obtener imágenes de características magnéticas en un enfoque que tiene ventajas potenciales en comparación con otros métodos. Como se publicó en la edición del 9 de septiembre de Science, sus mediciones y cálculos combinados mostraron evidencia de la naturaleza inusual del propio nanocable.

"Lin Jiao, un ex postdoctorado en nuestro grupo, propuso la idea de que este tipo de punta de nanocable puede darnos una respuesta de sí o no sobre si un material es magnético o no", dijo Vidya Madhavan, miembro de IQUIST. un profesor de física y autor correspondiente en el artículo. "Para nuestra sorpresa, Anuva Aishwarya, una estudiante de posgrado del grupo, demostró que estos consejos pueden brindar mucha más información".

En el corazón de un STM hay un efecto que permite que los electrones "atraviesen un túnel" a través de una barrera. Los electrones son partículas fundamentales regidas por la física cuántica y pueden actuar como ondas. A diferencia de las ondas de agua, los electrones no necesariamente se disipan o rebotan por completo cuando golpean una superficie. Cuando se encuentran con una barrera súper delgada, una parte de la onda puede filtrarse en un proceso llamado túnel cuántico. En un STM, hay un espacio entre la punta del microscopio y el material de muestra. Los electrones pueden hacer un túnel a través de este espacio, creando una señal eléctrica que, a su vez, contiene información sobre la muestra.

Además de la carga, los electrones tienen una propiedad llamada espín, que se puede representar como una flecha unida al electrón. Por lo general, las corrientes eléctricas pueden contener electrones con sus espines apuntando en direcciones aleatorias. Pero los científicos pueden persuadir a algunos materiales para que lleven corrientes con la dirección de giro bloqueada. Por ejemplo, las corrientes de espín fijo (polarizadas) en los STM se pueden generar con una combinación de puntas magnéticas e imanes externos. Desafortunadamente, los imanes agregados pueden ser invasivos y pueden afectar inadvertidamente a los átomos de la muestra. En el nuevo estudio, los investigadores adoptaron un enfoque diferente para crear corrientes polarizadas por espín.

En lugar de emplear una punta magnética, el equipo utilizó SmB₆ no magnético . Hace alrededor de una década, los científicos predijeron que este material podría ser un aislante topológico de Kondo, que debería tener corrientes polarizadas de espín inusualmente estables sin imanes añadidos. Así, en la superficie de SmB₆ las corrientes eléctricas que se mueven hacia la derecha deben tener electrones con spin-up, y viceversa para las corrientes hacia la izquierda. Las corrientes pueden incluso sobrevivir frente a defectos no deseados en el material. Esta es una característica general de los aisladores topológicos, pero los científicos se han enfrentado a desafíos al traducir esta física bastante exótica en aplicaciones tecnológicas del mundo real. Además, los científicos todavía están tratando de comprender las diferentes variedades de materiales topológicos. Este nuevo estudio proporciona pruebas sólidas de que SmB₆ es de hecho un aislante topológico de Kondo y pone sus corrientes peculiares a trabajar simplificando la formación de imágenes magnéticas.

En el laboratorio de Madhavan, el equipo usó nanofabricación para modificar el STM. Zhuozhen (un estudiante universitario del grupo) guiado por Lin, pasó cientos de horas en una sala limpia desarrollando este procedimiento. Primero, usaron un haz de iones para cortar la punta normal, que está hecha de tungsteno. Luego incrustaron el nanocable en una zanja que tiene solo unos cientos de nanómetros de ancho. Los cables tenían entre 60 y 100 nanómetros de diámetro, que es aproximadamente el tamaño de algunos virus.

Escanearon la punta a través de la superficie del telururo de hierro, que es un antiferromagnético. Dichos materiales tienen regiones alternas de electrones que giran hacia arriba y hacia abajo, y la magnetización general se cancela. Esto contrasta con los imanes de barra comunes más familiares, en los que todos los espines de los electrones apuntan en una sola dirección. Las imágenes STM anteriores con puntas magnéticas mostraban rayas claras, oscuras y claras, lo que significa que la muestra es antiferromagnética. El equipo recopiló imágenes similares con la nueva configuración de nanocables no magnéticos, lo que indicó que los electrones de túnel de SmB₆ estaban polarizados por espín. Cuando la punta estaba sobre una región del antiferromagnético con giros que coincidían con la orientación de los giros de la corriente superficial, la señal aumentaba; de lo contrario, disminuyó. El STM mapeó estas variaciones a medida que escaneaba la muestra y mostró patrones claros correspondientes a las franjas de giro alterno.

Para confirmar aún más que las señales de los nanocables estaban relacionadas con las corrientes inusuales de SmB₆ , el equipo calentó el experimento por encima de 10 Kelvin. A esta temperatura, SmB₆ ya no debería ser un aislador topológico de Kondo y perderá sus corrientes de espín superficiales. Fundamentalmente, el STM ya no observó ninguna franja antiferromagnética, aunque el orden magnético de la muestra sobrevive a esta temperatura. Descubrieron que las corrientes polarizadas por espín simplemente no estaban presentes en el nanocable por encima de esta temperatura. El equipo realizó una tercera verificación de las corrientes polarizadas por espín cambiando la dirección del voltaje aplicado a la punta del nanocable. Esto invirtió la dirección de la corriente de tunelización entre el STM y la muestra. Las imágenes STM mostraron que el contraste en las imágenes está invertido, lo que solo puede suceder si los electrones de túnel tienen una polarización de espín que cambia cuando la corriente cambia de dirección. En conjunto, esta evidencia mostró la naturaleza exótica de SmB₆ .

"Podemos cambiar el nanocable en la punta a un material diferente, lo que nos permitiría probar otros aspectos potencialmente inusuales de nuestra muestra", dijo Anuva Aishwarya, autora principal y estudiante de posgrado en física en el grupo de Madhavan. "¡Estoy muy entusiasmado con esto porque abre las puertas a una nueva técnica de detección a nanoescala!"

Las propiedades de la punta fueron sorprendentemente repetibles, dijo Madhavan. El equipo incluso pudo exponer los nanocables al aire y siempre lo hicieron bien en el STM. Todavía se desconoce mucho sobre SmB₆ , pero su sólido rendimiento combinado con los datos de medición es coherente con las predicciones sobre su naturaleza topológica.

"Esta técnica es quizás la primera aplicación real de un aislador topológico y, sorprendentemente, para que funcione, es crucial que el origen de la topología provenga de fuertes interacciones de muchos electrones como se esperaba en SmB₆ ", dijo Taylor Hughes, miembro de IQUIST, profesor de física y coautor del estudio.

En estudios futuros, el equipo planea modificar el nanocable para ver si puede revelar aún más características del material. Por ejemplo, están interesados ​​en crear y detectar entidades similares a partículas exóticas como los fermiones de Majorana, que se han propuesto durante mucho tiempo como base para nuevos dispositivos de computación cuántica. + Explora más

Un nuevo camino hacia las corrientes de espín polarizado