El hallazgo, publicado en Nature , se produjo cuando los científicos de Princeton descubrieron que un cristal sólido elemental hecho de átomos de arsénico (As) alberga una forma nunca antes observada de comportamiento cuántico topológico. Pudieron explorar y obtener imágenes de este nuevo estado cuántico utilizando un microscopio de efecto túnel (STM) y espectroscopía de fotoemisión, esta última una técnica utilizada para determinar la energía relativa de los electrones en moléculas y átomos.

Este estado combina, o "hibrida", dos formas de comportamiento cuántico topológico:estados de borde y estados de superficie, que son dos tipos de sistemas cuánticos de electrones bidimensionales. Estos se han observado en experimentos anteriores, pero nunca simultáneamente en el mismo material donde se mezclan para formar un nuevo estado de la materia.

"Este hallazgo fue completamente inesperado", dijo M. Zahid Hasan, profesor de Física Eugene Higgins en la Universidad de Princeton, quien dirigió la investigación. "Nadie lo predijo en teoría antes de su observación."

En los últimos años, el estudio de los estados topológicos de la materia ha atraído considerable atención entre físicos e ingenieros y actualmente es el foco de gran interés e investigación internacional. Esta área de estudio combina la física cuántica con la topología, una rama de las matemáticas teóricas que explora propiedades geométricas que pueden deformarse pero no cambiarse intrínsecamente.

Durante más de una década, los científicos han utilizado aisladores topológicos basados ​​en bismuto (Bi) para demostrar y explorar efectos cuánticos exóticos en sólidos a granel, principalmente mediante la fabricación de materiales compuestos, como la mezcla de Bi con selenio (Se), por ejemplo. Sin embargo, este experimento es la primera vez que se descubren efectos topológicos en cristales hechos del elemento As.

"La búsqueda y el descubrimiento de nuevas propiedades topológicas de la materia se han convertido en uno de los tesoros más buscados de la física moderna, tanto desde el punto de vista de la física fundamental como para encontrar aplicaciones potenciales en la ciencia e ingeniería cuánticas de próxima generación", afirmó. Hasán. "El descubrimiento de este nuevo estado topológico creado en un sólido elemental fue posible gracias a múltiples avances experimentales innovadores e instrumentaciones en nuestro laboratorio de Princeton".

Un sólido elemental sirve como una valiosa plataforma experimental para probar varios conceptos de topología. Hasta ahora, el bismuto ha sido el único elemento que alberga un rico entramado de topología, lo que ha dado lugar a dos décadas de intensas actividades de investigación. Esto se atribuye en parte a la limpieza del material y a la facilidad de síntesis. Sin embargo, el descubrimiento actual de fenómenos topológicos aún más ricos en arsénico potencialmente allanará el camino para nuevas y sostenidas direcciones de investigación.

"Por primera vez, demostramos que, al igual que diferentes fenómenos correlacionados, distintos órdenes topológicos también pueden interactuar y dar lugar a fenómenos cuánticos nuevos e intrigantes", afirmó Hasan.

Un material topológico es el componente principal utilizado para investigar los misterios de la topología cuántica. Este dispositivo actúa como aislante en su interior, lo que hace que los electrones de su interior no tengan libertad para moverse y, por tanto, no conducen la electricidad.

Sin embargo, los electrones en los bordes del dispositivo pueden moverse libremente, lo que significa que son conductores. Además, debido a las propiedades especiales de la topología, los electrones que fluyen a lo largo de los bordes no se ven obstaculizados por ningún defecto o deformación. Este tipo de dispositivo tiene el potencial no sólo de mejorar la tecnología sino también de generar una mayor comprensión de la materia misma mediante el estudio de propiedades electrónicas cuánticas.

Hasan señaló que existe mucho interés en utilizar materiales topológicos para aplicaciones prácticas. Pero es necesario que se produzcan dos avances importantes antes de que esto pueda realizarse. En primer lugar, los efectos topológicos cuánticos deben manifestarse a temperaturas más altas. En segundo lugar, es necesario encontrar sistemas materiales simples y elementales (como el silicio para la electrónica convencional) que puedan albergar fenómenos topológicos.

"En nuestros laboratorios, hacemos esfuerzos en ambas direcciones:estamos buscando sistemas de materiales más simples con facilidad de fabricación donde se puedan encontrar efectos topológicos esenciales", dijo Hasan. "También estamos buscando cómo hacer que estos efectos sobrevivan a temperatura ambiente."

Antecedentes del experimento

Las raíces del descubrimiento se encuentran en el funcionamiento del efecto Hall cuántico, una forma de efecto topológico que fue objeto del Premio Nobel de Física en 1985. Desde entonces, se han estudiado fases topológicas y se han desarrollado muchas clases nuevas de materiales cuánticos con propiedades topológicas. Se han encontrado estructuras electrónicas. En particular, Daniel Tsui, profesor emérito de Ingeniería Eléctrica Arthur Legrand Doty en Princeton, ganó el Premio Nobel de Física en 1998 por descubrir el efecto Hall cuántico fraccionario.

De manera similar, F. Duncan Haldane, profesor de Física Eugene Higgins en Princeton, ganó el Premio Nobel de Física 2016 por sus descubrimientos teóricos sobre las transiciones de fase topológicas y un tipo de aislante topológico bidimensional (2D). Los desarrollos teóricos posteriores demostraron que los aislantes topológicos pueden tomar la forma de dos copias del modelo de Haldane basado en la interacción espín-órbita del electrón.

Hasan y su equipo de investigación han seguido los pasos de estos investigadores al investigar otros aspectos de los aislantes topológicos y buscar nuevos estados de la materia. Esto les llevó, en 2007, al descubrimiento de los primeros ejemplos de aislantes topológicos tridimensionales (3D). Desde entonces, Hasan y su equipo han estado buscando durante una década un nuevo estado topológico en su forma más simple que también pueda funcionar a temperatura ambiente.

"Un diseño adecuado de química atómica y estructura junto con la teoría de los primeros principios es el paso crucial para hacer que la predicción especulativa del aislante topológico sea realista en un entorno de alta temperatura", dijo Hasan.

"Hay cientos de materiales cuánticos, y necesitamos intuición, experiencia, cálculos específicos de materiales e intensos esfuerzos experimentales para encontrar eventualmente el material adecuado para una exploración en profundidad. Y eso nos llevó a un viaje de una década de investigación de muchos bismuto -materiales basados ​​en, lo que lleva a muchos descubrimientos fundamentales."

El experimento

Los materiales a base de bismuto son capaces, al menos en principio, de albergar un estado topológico de la materia a altas temperaturas. Sin embargo, estos requieren una preparación de materiales compleja en condiciones de vacío ultraalto, por lo que los investigadores decidieron explorar varios otros sistemas. El investigador postdoctoral Dr. Shafayat Hossain sugirió un cristal hecho de arsénico porque puede cultivarse en una forma que es más limpia que muchos compuestos de bismuto.

Cuando Hossain y Yuxiao Jiang, un estudiante de posgrado del grupo Hasan, encendieron el STM en la muestra de arsénico, fueron recibidos con una observación dramática:el arsénico gris, una forma de arsénico con apariencia metálica, alberga estados superficiales topológicos y estados de borde. simultáneamente.

"Nos sorprendió. Se suponía que el arsénico gris sólo tenía estados superficiales. Pero cuando examinamos los bordes de los escalones atómicos, también encontramos hermosos modos de borde conductores", dijo Hossain.

"Un borde escalonado monocapa aislado no debería tener un modo de borde sin espacios", añadió Jiang, coautor del estudio.

Esto es lo que se ve en los cálculos de Frank Schindler, becario postdoctoral y teórico de la materia condensada en el Imperial College de Londres en el Reino Unido, y Rajibul Islam, investigador postdoctoral en la Universidad de Alabama en Birmingham, Alabama. Ambos son coautores del artículo.

"Una vez que se coloca un borde encima de la muestra en masa, los estados de la superficie se hibridan con los estados con espacios en el borde y forman un estado sin espacios", dijo Schindler.

"Esta es la primera vez que vemos tal hibridación", añadió.

Físicamente, un estado sin espacios en el borde del escalón no se espera ni para aisladores topológicos fuertes ni de orden superior por separado, sino sólo para materiales híbridos donde ambos tipos de topología cuántica están presentes. Este estado sin espacios también es diferente a los estados de superficie o bisagra en aisladores topológicos fuertes y de orden superior, respectivamente. Esto significó que la observación experimental realizada por el equipo de Princeton indicó inmediatamente un tipo de estado topológico nunca antes observado.

David Hsieh, presidente de la División de Física de Caltech e investigador que no participó en el estudio, destacó las conclusiones innovadoras del estudio.

"Normalmente, consideramos que la estructura de bandas masivas de un material cae en una de varias clases topológicas distintas, cada una ligada a un tipo específico de estado límite", dijo Hsieh. "Este trabajo muestra que ciertos materiales pueden pertenecer simultáneamente a dos clases. Lo más interesante es que los estados límite que surgen de estas dos topologías pueden interactuar y reconstruirse en un nuevo estado cuántico que es más que una simple superposición de sus partes".

Los investigadores fundamentaron aún más las mediciones de microscopía de efecto túnel con espectroscopia de fotoemisión sistemática de resolución angular de alta resolución.

"La muestra gris de As es muy limpia y encontramos firmas claras de un estado de superficie topológico", dijo Zi-Jia Cheng, estudiante de posgrado del grupo Hasan y coautor del artículo que realizó algunas de las mediciones de fotoemisión. .

La combinación de múltiples técnicas experimentales permitió a los investigadores investigar la correspondencia única entre la superficie y el borde asociada con el estado topológico híbrido y corroborar los hallazgos experimentales.

Implicaciones de los hallazgos

El impacto de este descubrimiento es doble. La observación del modo de borde topológico combinado y el estado de la superficie allana el camino para diseñar nuevos canales topológicos de transporte de electrones. Esto puede permitir el diseño de nuevos dispositivos de computación cuántica o ciencia de la información cuántica.

Los investigadores de Princeton demostraron que los modos de borde topológicos solo están presentes a lo largo de configuraciones geométricas específicas que son compatibles con las simetrías del cristal, iluminando un camino para diseñar diversas formas de futuros nanodispositivos y electrónica basada en espín.

Desde una perspectiva más amplia, la sociedad se beneficia cuando se descubren nuevos materiales y propiedades, afirmó Hasan. En materiales cuánticos, la identificación de sólidos elementales como plataformas materiales, como el antimonio que alberga una topología fuerte o el bismuto que alberga una topología de orden superior, ha llevado al desarrollo de materiales novedosos que han beneficiado enormemente al campo de los materiales topológicos.

"Prevemos que el arsénico, con su topología única, puede servir como una nueva plataforma a un nivel similar para desarrollar nuevos materiales topológicos y dispositivos cuánticos a los que actualmente no se puede acceder a través de las plataformas existentes", dijo Hasan.

El grupo de Princeton lleva más de 15 años diseñando y construyendo experimentos novedosos para la exploración de materiales aislantes topológicos. Entre 2005 y 2007, por ejemplo, el equipo dirigido por Hasan descubrió el orden topológico en un sólido tridimensional de bismuto y antimonio, una aleación semiconductora y materiales topológicos de Dirac relacionados utilizando nuevos métodos experimentales.

Esto llevó al descubrimiento de materiales magnéticos topológicos. Entre 2014 y 2015, descubrieron y desarrollaron una nueva clase de materiales topológicos llamados semimetales magnéticos de Weyl.

Los investigadores creen que este hallazgo abrirá la puerta a una gran cantidad de futuras posibilidades de investigación y aplicaciones en tecnologías cuánticas, especialmente en las llamadas tecnologías "verdes".

"Nuestra investigación es un paso adelante para demostrar el potencial de los materiales topológicos para la electrónica cuántica con aplicaciones de ahorro de energía", afirmó Hasan.