Los materiales cuánticos topológicos son aclamados como la piedra angular de futuros avances tecnológicos. Sin embargo, validar sus cualidades excepcionales siempre ha sido un proceso largo.
Los investigadores del Clúster de Excelencia ct.qmat han desarrollado una técnica experimental que identifica sistemáticamente materiales topológicos bidimensionales mediante una prueba rápida. Este avance podría ayudar a acelerar el progreso de esta clase de materiales en auge.
Sus hallazgos han sido publicados en la revista Physical Review Letters. .
En 2007, el profesor Laurens W. Molenkamp, miembro fundador del Grupo de Excelencia ct.qmat (Complejidad y topología en materia cuántica) de Würzburg-Dresden, proporcionó la primera prueba experimental de aisladores topológicos, una nueva clase de materiales. Estos materiales destacan porque aunque su interior se comporta como un aislante eléctrico, conducen electrones por su superficie sin ningún tipo de resistencia.
Desde ese descubrimiento innovador, ha aumentado el interés mundial por estos materiales. Esto se debe a su papel fundamental en una posible revolución de los materiales y a sus prometedoras aplicaciones en tecnologías cuánticas, como el desarrollo de "chips fríos" que son potentes, energéticamente eficientes y no generan calor residual.
"Actualmente, la detección experimental de aislantes topológicos implica una investigación muy compleja. Se requiere un gran equipo y una cantidad considerable de tiempo para preparar una muestra del material. Además, la detección exitosa nunca está garantizada", señala el profesor Ralph Claessen, portavoz de ct.qmat en Würzburg.
Pero ahora, un equipo de investigación de ct.qmat en Würzburg ha ideado un método sistemático para identificar materiales cuánticos topológicos bidimensionales en un tiempo récord utilizando una técnica de medición mucho más simple. "Básicamente, además de una muestra de material prometedora, lo único que se necesita son rayos X especiales", explica el Dr. Simon Moser, líder del proyecto en JMU Würzburg.
"Las partículas de luz necesarias deben ser de alta frecuencia y polarizadas circularmente, es decir, que posean momento angular. Esto se puede lograr utilizando cualquier fuente de luz sincrotrón.
"Por ejemplo, nuestras muestras fueron irradiadas en Elettra Sincrotrone en Trieste y en Diamond Light Source, la instalación científica nacional de sincrotrón del Reino Unido en el Harwell Science and Innovation Campus en Oxfordshire".
Lo que parece simple es en realidad un avance significativo en la investigación de materiales cuánticos topológicos. "Si se consigue una ranura en un sincrotrón, se puede determinar en aproximadamente una semana si un material es un aislante topológico. Con el método tradicional, esto requiere al menos una tesis doctoral", señala Moser.
La esencia del nuevo método de prueba rápida reside en la fotoemisión dicroica. La muestra de material se expone varias veces a luz de alta frecuencia con polarización variable. Inicialmente, del material sólo se liberan electrones que, por ejemplo, giran en el sentido de las agujas del reloj. Posteriormente, sólo se liberan los electrones que giran en sentido antihorario.
Detectar las diferentes direcciones de rotación de los electrones mediante fotoemisión dicroica y así descubrir su topología no es una idea nueva. En 2023, otro equipo de ct.qmat de Würzburg utilizó este método para analizar la topología de un metal kagome por primera vez.
"Utilizaron fotoemisión circular para investigar el metal kagome. Nos centramos en la metodología y desarrollamos una especie de receta que ahora siempre funciona, no sólo por casualidad", dice Moser, explicando el nuevo enfoque de su equipo. "Nuestra prueba rápida hace visible sistemáticamente la topología de los electrones."
Dado que los investigadores tienen una larga trayectoria en la investigación del material cuántico bidimensional indeneno, también utilizaron este material para desarrollar el método de prueba rápida. Además, ya están aplicando el principio a otros materiales. Un experimento reciente implicó irradiar una muestra de bismuteno y los datos se analizarán en breve.
