Se han descubierto fases topológicas duales en un cristal monocapa intrínseco, un hallazgo que revela propiedades nuevas y únicas de flexión de reglas en un material cuántico, informó recientemente un equipo internacional de científicos dirigido por físicos del Boston College en la versión en línea de la revista . Naturaleza .
El descubrimiento de un aislante topológico dual introduce un nuevo método para crear minibandas planas topológicas a través de interacciones electrónicas, que ofrecen una plataforma prometedora para explorar fases cuánticas exóticas y electromagnetismo, informó el equipo.
"Hemos producido experimentalmente muestras atómicamente delgadas y de alta calidad de TaIrTe4 "Lo que es particularmente intrigante es nuestro descubrimiento no sólo de uno, sino de dos estados topológicos aislantes, más allá de las predicciones de la teoría". P>
Los hallazgos introducen un efecto novedoso que el equipo llama aislante topológico dual o aislante Hall de espín cuántico dual, dijo Ma.
Capas bidimensionales excepcionalmente delgadas de un material cristalino llamado TaIrTe4 , creado a partir de tantalio, iridio y telurio, fueron el foco de atención del equipo de científicos de BC, MIT, la Universidad de Harvard, UCLA, Texas A&M, la Universidad de Tennessee, la Universidad Tecnológica Nanyang de Singapur, la Academia China de Ciencias y la Universidad Nacional de Japón. Instituto de Ciencia de Materiales.
Cada capa tiene menos de 1 nanómetro de espesor, es decir, más de 100.000 veces más delgada que un mechón de cabello humano. Estas capas, o "escamas", se despegaron cuidadosamente de un cristal más grande usando un método simple que involucra cinta adhesiva transparente, una técnica galardonada con el Premio Nobel y ampliamente utilizada en ciencia de materiales.
"Nuestra investigación tuvo como objetivo comprender cómo estos materiales conducen la electricidad", dijo Ma. "Dado el tamaño minúsculo de estos materiales, empleamos técnicas avanzadas de nanofabricación, incluidas la fotolitografía y la litografía por haz de electrones, para establecer contactos eléctricos de tamaño nanométrico".
Ma dijo que el objetivo principal del proyecto era probar la predicción teórica que sugiere el TaIrTe4 más delgado. La capa actúa como un aislante topológico bidimensional, también conocido como aislante Hall de espín cuántico, un material novedoso en el que su interior es aislante y la electricidad fluye a lo largo de sus límites sin ninguna pérdida de energía. Esta combinación única hace que estos materiales sean el foco de los investigadores que intentan desarrollar futuras generaciones de dispositivos electrónicos energéticamente eficientes.
Mediante la manipulación de parámetros específicos, denominados voltajes de puerta, el equipo encontró TaIrTe4 La transición entre los dos estados topológicos distintos, dijo Ma. En ambos casos, el material exhibe conductividad eléctrica cero dentro de su interior, mientras que sus límites siguen siendo conductores. A través de una investigación experimental y teórica sistemática, hemos determinado que estos dos estados topológicos provienen de orígenes dispares.
Los hallazgos, que superaron las predicciones teóricas, sorprendieron a los científicos.
"Por lo general, agregar electrones a un material aumenta su conductividad debido a la mayor cantidad de carga o portadores de electricidad", dijo Ma. "Al principio, nuestro sistema se comportó como se esperaba y se volvió más conductor con la adición de electrones.
"Sin embargo, a partir de cierto punto, al añadir más electrones inesperadamente el interior vuelve a ser aislante, con conducción eléctrica sólo en los límites y sin pérdida de energía, lo que vuelve a ser exactamente una fase topológicamente aislante, como en el punto inicial, cuando el interior no tiene electrones". . Esta transición a una segunda fase de aislamiento topológico es completamente inesperada."
Ma dijo que el trabajo futuro sobre el descubrimiento incluye colaboraciones con grupos expertos en otras técnicas especializadas, como sondas de imágenes a nanoescala, para comprender mejor el comportamiento inesperado.
"También nos centraremos en refinar la calidad de nuestro material para mejorar la ya impresionante conducción topológica sin disipación", dijo Ma. "Además, planeamos construir heteroestructuras basadas en este nuevo material para desbloquear comportamientos físicos aún más intrigantes".
En Boston College, Ma colaboró con los profesores de física Kenneth Burch y Ziqiang Wang; personal de la Sala Limpia de la Universidad; Los postdoctorados de BC Jian Tang, Zumeng Huang y Zhe Sun; los estudiantes de posgrado Thomas Siyuan Ding, Michael Geiwitz, Mohamed Shehabeldin, Vsevolod Belosevich y Yiping Wang; y Zihan Wang, investigador universitario visitante.
Más información: Jian Tang et al, Aislante Hall de espín cuántico dual mediante correlaciones ajustadas a la densidad en TaIrTe4 , Naturaleza (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07211-8
Información de la revista: Naturaleza
Proporcionado por Boston College
