En un novedoso experimento, los físicos han observado efectos de coherencia cuántica de largo alcance debidos a la interferencia de Aharonov-Bohm en un dispositivo topológico basado en un aislante. Este hallazgo abre un nuevo ámbito de posibilidades para el futuro desarrollo de la física y la ingeniería cuánticas topológicas.
Este hallazgo también podría afectar el desarrollo de la electrónica basada en espín, que potencialmente podría reemplazar algunos sistemas electrónicos actuales para lograr una mayor eficiencia energética y proporcionar nuevas plataformas para explorar la ciencia de la información cuántica.
La investigación, publicada en la edición del 20 de febrero de Nature Physics es la culminación de más de 15 años de trabajo en Princeton. Surgió cuando los científicos de Princeton desarrollaron un dispositivo cuántico llamado bromuro de bismuto (α-Bi4 Hermano4 ) aislante topológico, de solo unos pocos nanómetros de espesor, y lo usó para investigar la coherencia cuántica.
Los científicos han utilizado aislantes topológicos para demostrar nuevos efectos cuánticos durante más de una década. El equipo de Princeton desarrolló su aislante a base de bismuto en un experimento anterior en el que demostraron su eficacia a temperatura ambiente.
Pero este nuevo experimento es la primera vez que se observan estos efectos con una coherencia cuántica de muy largo alcance y a una temperatura relativamente alta. Inducir y observar estados cuánticos coherentes normalmente requiere temperaturas cercanas al cero absoluto en materiales semiconductores diseñados artificialmente sólo en presencia de fuertes campos magnéticos.
"Nuestros experimentos proporcionan pruebas convincentes de la existencia de coherencia cuántica de largo alcance en modos de bisagra topológica, abriendo así nuevas vías hacia el desarrollo de circuitos topológicos y utilizando este método topológico para explorar y avanzar en la física fundamental", dijo M. Zahid Hasan , profesor de Física Eugene Higgins en la Universidad de Princeton, quien dirigió la investigación.
"A diferencia de los dispositivos electrónicos convencionales, los circuitos topológicos son resistentes a defectos e impurezas, lo que los hace mucho menos propensos a la disipación de energía, lo que resulta ventajoso para aplicaciones más ecológicas".
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.
El principal dispositivo utilizado para investigar los misterios de la topología cuántica se llama aislante topológico. Se trata de un dispositivo único que actúa como aislante en su interior, lo que significa que los electrones del interior no tienen libertad para moverse y, por tanto, no conducen 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. También es posible un tipo especial de topología en ciertos materiales a base de bismuto donde algunos bordes pueden tener espacios y sólo algunas bisagras siguen siendo conductoras.
Un dispositivo hecho de tales materiales topológicos tiene el potencial no sólo de mejorar la tecnología sino también de generar una mayor comprensión de la materia misma al probar las propiedades cuánticas de maneras nuevas e innovadoras.
Sin embargo, hasta ahora, la incapacidad de lograr tiempos de coherencia prolongados ha sido un obstáculo importante en la búsqueda del uso de materiales para aplicaciones en dispositivos funcionales. La coherencia se refiere a la capacidad de mantener los estados cuánticos de superposición y entrelazamiento frente a influencias disruptivas, como la termalización u otras interacciones con el medio ambiente.
"Hay mucho interés en los materiales topológicos, y la gente suele hablar de su gran potencial para aplicaciones prácticas", dijo Hasan, "pero hasta que se pueda demostrar que algún efecto topológico cuántico macroscópico tiene una larga coherencia cuántica que también puede operar a niveles relativamente altos temperaturas, estas aplicaciones probablemente seguirán sin realizarse. Por lo tanto, estamos buscando materiales que exhiban coherencia cuántica de electrones topológicos de largo alcance".
El equipo de Hasan ha estado explorando materiales topológicos basados en bismuto durante casi dos décadas. Sin embargo, recientemente, el equipo descubrió que el aislante de bromuro de bismuto tiene propiedades que lo hacen más ideal en comparación con los aisladores topológicos basados en bismuto (incluidas las aleaciones Bi-Sb) que habían estudiado desde 2005. Tiene una gran brecha aislante de más de 200 meV. (milielectrones voltios). Esto es lo suficientemente grande como para superar el ruido térmico, pero lo suficientemente pequeño como para no interrumpir el efecto de acoplamiento de órbita de giro y la topología de inversión de banda.
Los aisladores de bromuro de bismuto pertenecen a una clase de aisladores topológicos que también exhiben efectos de alto orden cuyas superficies se vuelven aislantes, pero los bordes de orientaciones dictadas por alguna simetría siguen siendo conductores. Estos se llaman estados bisagra y fueron teorizados recientemente por el grupo del colaborador y coautor Titus Neupert en la Universidad de Zurich.
"Aunque en teoría no estaba garantizado, a través de varios años de experimentación descubrimos que los estados bisagra del bromuro de bismuto tienen una coherencia cuántica de muy largo alcance a una temperatura relativamente alta. En este caso, en nuestros experimentos basados en los dispositivos que fabricamos, encontramos una equilibrio entre los efectos del acoplamiento espín-órbita, la coherencia cuántica de largo alcance y las fluctuaciones térmicas", afirmó Hasan.
"Descubrimos que hay un 'punto óptimo' donde se puede tener un grado relativamente alto de coherencia cuántica de los modos de bisagra topológica, así como operar a una temperatura relativamente alta. Es una especie de punto de equilibrio para los materiales a base de bismuto que utilizamos. He estado estudiando durante casi dos décadas."
Utilizando un microscopio de efecto túnel, los investigadores observaron un claro estado de borde de Hall de espín cuántico, que es una de las propiedades importantes que existe de forma única en los sistemas topológicos. Esto requirió instrumentación novedosa adicional para aislar de manera única el efecto topológico.
Aunque el bismuto alberga ese estado cuántico, el material en sí es un semimetal sin ninguna brecha energética aislante. Esto hace que sea difícil explorar sus consecuencias en el transporte de electrones porque, en el bismuto, los canales de transporte contienen electrones tanto del estado general como del estado bisagra. Mezclan y desdibujan la señal de transporte cuántica coherente de los estados bisagra.
Otro problema es causado por lo que los físicos llaman "ruido térmico", que se define como un aumento de temperatura tal que los átomos comienzan a vibrar violentamente. Esta acción puede alterar sistemas cuánticos delicados, colapsando así el estado cuántico. En los aisladores topológicos, en particular, estas temperaturas más altas crean una situación en la que los electrones en la superficie del aislante invaden el interior, o "masa", del aislante y hacen que los electrones allí también comiencen a conducir, lo que se diluye o se rompe. El efecto cuántico especial. Las fluctuaciones térmicas también destruyen la coherencia de fase cuántica de los electrones.
Pero el aislante de bromuro de bismuto desarrollado por el equipo pudo evitar este y otros problemas. Utilizaron el dispositivo para demostrar el transporte cuántico coherente a través de los modos de bisagra topológica. Un sello distintivo del transporte cuántico coherente es la manifestación de la interferencia cuántica de Aharonov-Bohm.
La interferencia Aharonov-Bohm, predicha hace casi 60 años (el físico David Bohm estuvo en Princeton de 1947 a 1951), describe un fenómeno en el que una onda cuántica se divide en dos ondas que siguen un camino cerrado e interfieren bajo la influencia de una onda electromagnética. potencial.
El patrón de interferencia resultante está determinado por el flujo magnético encerrado por las ondas. En el caso de los electrones, dicha interferencia cuántica se produce si los electrones de conducción permanecen coherentes en fase después de completar trayectorias cerradas, lo que da como resultado una oscilación periódica en la resistencia eléctrica con un período característico del campo magnético ΔB = Φ0 /S, donde Φ0 = h/e es el cuanto de flujo, S es el área sobre la cual las trayectorias de los electrones permanecen coherentes en fase, h es la constante de Planck y e es la carga del electrón.
Para los canales de conducción topológica, todas las trayectorias coherentes de fase que participan en la interferencia cuántica encierran la misma área perpendicular al campo B, que es diferente de las fluctuaciones de conductancia universal. Aquí presentan trazas de magnetorresistencia del α-Bi4 Hermano4 muestras que muestran oscilaciones periódicas B, el sello distintivo del efecto Aharonov-Bohm que surge de portadoras coherentes en fase.
"Por primera vez, demostramos que existe una clase de dispositivos electrónicos topológicos basados en bismuto que pueden tener un alto grado de coherencia cuántica y sobrevivir hasta temperaturas relativamente altas, lo cual se debe al efecto de interferencia Aharonov-Bohm derivado de la fase topológica coherente. electrones", afirmó Hasan.
Las raíces topológicas 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, las fases topológicas se han estudiado intensamente.
Se han encontrado muchas clases nuevas de materiales cuánticos con estructuras electrónicas topológicas, incluidos aisladores topológicos, superconductores topológicos, imanes topológicos y semimetales de Weyl. Tanto los descubrimientos experimentales como los teóricos han continuado.
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, y F. Duncan Haldane, profesor de Física Eugene Higgins en Princeton, ganó el Premio Nobel en 2016 en Física por descubrimientos teóricos de transiciones de fase topológicas y un tipo de aislantes topológicos bidimensionales (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 han estado buscando durante una década un estado cuántico topológico que también pueda preservar un alto grado de coherencia cuántica a una temperatura relativamente alta, tras el descubrimiento de los primeros ejemplos de aislantes topológicos tridimensionales en 2007. P>
Recientemente, encontraron una solución a la conjetura de Haldane en un material topológico capaz de operar a temperatura ambiente, que también presenta la cuantificación deseada.
"Un diseño de estructura y química atómica adecuado 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 dispositivo para mantener una coherencia cuántica a largo plazo", dijo Hasan.
"Existen muchos materiales topológicos basados en Bi, y necesitamos intuición, experiencia, cálculos específicos de materiales e intensos esfuerzos experimentales para encontrar finalmente el material adecuado para una exploración en profundidad en un entorno de dispositivo. Y eso nos llevó una década. largo viaje de investigación de algunos materiales basados en bismuto que finalmente parecen estar funcionando."
"Creemos que este hallazgo puede ser el punto de partida para el desarrollo futuro en ingeniería cuántica y nanotecnología", afirmó Shafayat Hossain, investigador postdoctoral asociado en el laboratorio de Hasan y coautor del estudio.
"Se han propuesto muchas posibilidades en ciencia topológica cuántica y tecnología de ingeniería, y encontrar materiales apropiados con propiedades de coherencia cuántica prolongadas junto con instrumentación novedosa es una de las claves para lograrlo. Y eso es lo que logramos".>
"Si los electrones no rebotan o están agitados, no pierden energía", afirma Hasan. "Esto crea una base cuántica para el ahorro de energía o tecnologías más ecológicas porque consumen mucha menos energía. Pero aún queda un largo camino por recorrer".
Actualmente, el enfoque teórico y experimental del equipo de Hasan se concentra en dos direcciones, afirmó Hasan. En primer lugar, los investigadores quieren determinar qué otros materiales topológicos podrían exhibir un nivel similar o superior de coherencia cuántica y, lo que es más importante, proporcionar a otros científicos las herramientas y métodos de instrumentación novedosos para identificar estos materiales que operarán a temperaturas más altas.
En segundo lugar, los investigadores quieren seguir profundizando en el mundo cuántico y buscar nueva física en el entorno de un dispositivo. Estos estudios requerirán el desarrollo de otro conjunto de nuevos instrumentos, técnicas y dispositivos topológicos para aprovechar al máximo el enorme potencial de estos maravillosos materiales.
Nan Yao, coautor del artículo titulado "Respuesta de transporte cuántico de modos de bisagra topológica" y profesor de la práctica en el Instituto de Materiales de Princeton resumió la investigación diciendo:"Este trabajo sobre aisladores topológicos de orden superior ejemplifica la belleza e importancia de descubrir nuevas facetas de la naturaleza, como la coherencia cuántica de los estados bisagra topológicos."
"Es un descubrimiento que podría conducir potencialmente a avances interesantes en los dispositivos cuánticos, y me recuerda la famosa cita de Einstein:'Lo más hermoso que podemos experimentar es lo misterioso. Es la fuente de todo arte y ciencia verdaderos'".
Más información: Md Shafayat Hossain et al, Respuesta de transporte cuántico de modos de bisagra topológica, Física de la naturaleza (2024). DOI:10.1038/s41567-024-02388-1
Proporcionado por la Universidad de Princeton
