Los físicos han descubierto un material en el que los átomos están dispuestos de una manera que frustra tanto el movimiento de los electrones que se involucran en una danza colectiva en la que sus naturalezas electrónica y magnética parecen competir y cooperar de formas inesperadas.

Dirigida por físicos de la Universidad de Rice, la investigación se publicó en línea hoy en Nature . En experimentos en Rice, el Laboratorio Nacional Oak Ridge (ORNL), el Laboratorio Nacional Acelerador SLAC, el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (LBNL), la Universidad de Washington (UW), la Universidad de Princeton y la Universidad de California, Berkeley, los investigadores estudiaron el hierro-germanio puro cristales y descubrió ondas estacionarias de electrones fluidos que aparecían espontáneamente dentro de los cristales cuando se enfriaban a una temperatura críticamente baja. Curiosamente, las ondas de densidad de carga surgieron mientras el material estaba en un estado magnético, al cual había hecho la transición a una temperatura más alta.

"Una onda de densidad de carga generalmente ocurre en materiales que no tienen magnetismo", dijo el coautor del estudio Pengcheng Dai de Rice. "Los materiales que tienen tanto una onda de densidad de carga como magnetismo son realmente raros. Aún más raros son aquellos en los que la onda de densidad de carga y el magnetismo 'hablan' entre sí, como parece que lo hacen en este caso".

"Por lo general, la onda de densidad de carga ocurre al mismo tiempo que el magnetismo oa una temperatura más alta que la transición magnética", dijo. "Este caso particular parece ser especial, porque la onda de densidad de carga en realidad ocurre a una temperatura mucho más baja que el magnetismo. No conocemos ningún otro ejemplo en el que esto realmente suceda en un material como este, que presenta una red de kagome. Eso sugiere que podría estar relacionado con el magnetismo".

Los cristales de hierro y germanio utilizados en los experimentos se cultivaron en el laboratorio de Dai y presentan una disposición distintiva de átomos en su red cristalina que recuerda a los patrones que se encuentran en las canastas kagome japonesas. Los triángulos equiláteros en la red obligan a los electrones a interactuar, y debido a que detestan estar cerca unos de otros, esta fuerza frustra sus movimientos. El forzamiento aumenta a medida que bajan las temperaturas, dando lugar a comportamientos colectivos como la onda de densidad de carga.

El coautor del estudio, Ming Yi, también de Rice, dice que "la onda de densidad de carga es como las olas que se forman en la superficie del océano. Solo se forma cuando las condiciones son las adecuadas. En este caso, la observamos cuando una característica única en forma de silla de montar apareció en los estados cuánticos en los que se les permite vivir a los electrones. La conexión con el orden magnético es que esta onda de densidad de carga solo ocurre cuando el magnetismo hace que aparezca la silla de montar. Esa es nuestra hipótesis".

Los experimentos ofrecen una tentadora visión de las propiedades que los físicos encontrarán en los materiales cuánticos que tienen tanto características topológicas como aquellas que surgen de interacciones de electrones fuertemente correlacionadas.

En los materiales topológicos, los patrones de entrelazamiento cuántico producen estados "protegidos" que no se pueden borrar. La naturaleza inmutable de los estados topológicos es de creciente interés para la computación cuántica y la espintrónica. Los primeros materiales topológicos eran aislantes no conductores cuyos estados protegidos les permitían conducir la electricidad de forma limitada, como en superficies exteriores 2D o a lo largo de bordes 1D.

"En el pasado, los materiales topológicos eran tipos que tenían una correlación muy débil", dijo Yi, profesor asistente de física y astronomía en Rice. "La gente usó esos materiales para comprender realmente la topología de los materiales cuánticos, pero el desafío ahora es encontrar materiales en los que podamos aprovechar tanto los estados topológicos como las fuertes correlaciones de electrones".

En materiales fuertemente correlacionados, las interacciones de miles de millones de electrones dan lugar a comportamientos colectivos como la superconductividad no convencional o las continuas fluctuaciones entre estados magnéticos en líquidos de espín cuántico.

"Para materiales débilmente correlacionados como los aisladores topológicos originales, los cálculos del primer principio funcionan muy bien", dijo Yi. "Solo en función de cómo se organizan los átomos, se puede calcular qué tipo de estructura de bandas se puede esperar. Hay un camino muy bueno desde la perspectiva del diseño de materiales. Incluso se puede predecir la topología de los materiales".

"Pero los materiales fuertemente correlacionados son más desafiantes", dijo. "Hay una falta de conexión entre la teoría y la medición. Por lo tanto, no solo es difícil encontrar materiales que estén fuertemente correlacionados y topológicos, sino que cuando los encuentras y los mides, también es muy difícil conectar lo que estás midiendo". con un modelo teórico que explica lo que está pasando".

Yi y Dai dijeron que los materiales de celosía de kagome podrían proporcionar un camino a seguir.

"En algún momento, quieres poder decir:'Quiero hacer un material con comportamientos y propiedades particulares", dijo Yi. "Creo que Kagome es una buena plataforma en esa dirección, porque hay formas de hacer predicciones directas, basadas en la estructura cristalina, sobre el tipo de estructura de banda que obtendrás y, por lo tanto, sobre los fenómenos que pueden surgir en función de esa estructura de banda. Tiene muchos de los ingredientes correctos". + Explora más

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