El trabajo introduce una forma completamente nueva de crear y estudiar metales extraños, cuyos electrones se comportan de manera diferente a los de un metal convencional como el cobre. "Es un nuevo enfoque potencial para diseñar estos materiales inusuales", afirma Joseph G. Checkelsky, investigador principal principal de la investigación y profesor asociado de Física.

Linda Ye, Ph.D. del MIT. '21, es el primer autor de un artículo sobre el trabajo publicado a principios de este año en Nature Physics. . "Una nueva forma de fabricar metales extraños nos ayudará a desarrollar una teoría unificadora detrás de su comportamiento. Esto ha sido todo un desafío hasta la fecha y podría conducir a una mejor comprensión de otros materiales, incluidos los superconductores de alta temperatura", dice Ye, ahora un profesor asistente en el Instituto de Tecnología de California.

La Física de la Naturaleza El artículo va acompañado de un artículo de News &Views titulado "Una forma extraña de obtener un metal extraño".

En 2018, Checkelsky y muchos de los mismos colegas informaron sobre una clase de materiales cuánticos conocidos como metales kagome. Los miembros de la familia de metales kagome están compuestos por capas de átomos dispuestos en un entramado de unidades repetidas similar a una estrella de David o una insignia de sheriff. El patrón también es común en la cultura japonesa, particularmente como motivo de tejido de cestas.

"Estábamos interesados ​​en la red de Kagome porque la teoría mostraba que debería albergar una variedad de características interesantes para los electrones que se encuentran en ella", dice Linda Ye. De hecho, en su artículo de 2018, Ye, Checkelsky y colegas, incluidos Riccardo Comin y Liang Fu (también del físico del MIT), informaron que su nuevo metal Kagome producía fermiones de Dirac, partículas casi sin masa similares a los fotones que transportan luz.

"En ese caso, los fermiones de Dirac eran más o menos los esperados en los cálculos", afirma Ye. Pero los metales extraños descubiertos en el trabajo actual fueron completamente inesperados y "eso realmente nos está llevando a un nuevo régimen", afirma.

Después de descubrir los fermiones de Dirac, los investigadores querían ver si podían encontrar "una característica aún más interesante en la red de Kagome llamada banda plana", dice Ye. Este es un fenómeno en el que los electrones esencialmente permanecen quietos, aunque cada uno todavía gira alrededor de su propio eje.

Hacer que los electrones se detengan les permite comunicarse realmente entre sí. Y ahí es cuando suceden todas las cosas realmente interesantes de la física de la materia condensada.

Buscando una banda plana

Más específicamente, el equipo buscaba una banda plana en el nivel de Fermi, que puede considerarse como la superficie del océano. Lo encontraron y comenzaron a explorar las propiedades eléctricas del sistema mientras lo sometían a alta presión y a un campo magnético.

Descubrieron que los electrones de la banda plana interactúan fuertemente con otros electrones del sistema. El resultado, afirma Ye, puede compararse nuevamente con el océano. Los electrones no perturbados en la banda plana pueden considerarse como un mar en calma. Una vez que comienzan a interactuar con otros a su alrededor, el mar en calma se convierte en una tormenta turbulenta en la que los electrones actúan de dos maneras diferentes. El resultado:un metal extraño.

"Sabíamos que la banda plana daría como resultado algo interesante, pero no sabíamos exactamente qué nos aportaría. Y lo que encontramos es un metal extraño", dice Ye.

Señala que el trabajo muestra que la red Kagome es un "principio de diseño muy importante para nuevos estados electrónicos". Por ello, ahora pretende ampliar el trabajo a otras celosías.

El descubrimiento es el resultado de años de investigación. La propia Ye comenzó a explorar los sistemas Kagome alrededor de 2015. "Ha sido un proyecto largo", dice. "Ha sido muy gratificante construir esto paso a paso y encontrar muchas cosas interesantes a lo largo del camino".

Los coautores del MIT de Ye y Checkelsky son Shiang Fang, asociado postdoctoral en física del MIT; Mingu Kang, Ph.D. del MIT. '23, ahora en la Universidad de Cornell; Yonghun Lee, un estudiante universitario visitante; Caolan John y Paul M. Neves, estudiantes graduados en física del MIT; S.Y. Frank Zhao, asociado postdoctoral en física del MIT; y Riccardo Comin, profesor asociado de física de desarrollo profesional de la promoción de 1947.

Otros autores son Josef Kaufmann de la Universidad Tecnológica de Viena y el Instituto Leibniz de Investigación de Materiales y Estado Sólido; Jonathan Denlinger, Chris Jozwiak, Aaron Bostwick y Eli Rotenberg, todos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley; Efthimios Kaxiras y David C. Bell de la Universidad de Harvard; y Oleg Janson del Instituto Leibniz de Investigación de Materiales y Estado Sólido.