Así como un libro no puede juzgarse por su portada, un material no siempre puede juzgarse por su superficie. Pero, para una clase de materiales esquiva y conjeturada, los físicos han demostrado ahora que la superficie que antes se pensaba que era "sin rasgos distintivos" tiene una firma inconfundible que podría conducir a la primera observación definitiva.

Los aislantes topológicos de orden superior, o HOTI, han llamado la atención por su capacidad para conducir electricidad a lo largo de líneas unidimensionales en sus superficies, pero esta propiedad es bastante difícil de distinguir experimentalmente de otros efectos. En lugar de ello, al estudiar el interior de estos materiales desde una perspectiva diferente, un equipo de físicos ha identificado una firma superficial exclusiva de los HOTI que puede determinar cómo se refleja la luz en sus superficies.

Como informa el equipo en la revista Nature Communications esta propiedad podría usarse para confirmar experimentalmente la existencia de tales estados topológicos en materiales reales.

"Las propiedades generales o interiores de los HOTI y otros aislantes topológicos se han descontado durante mucho tiempo, pero resulta que allí también están sucediendo muchas cosas interesantes", dijo Barry Bradlyn, profesor de física de la Universidad de Illinois. Urbana-Champaign y codirector del proyecto. "Cuando miramos las superficies a través de una lente más cuidadosa, inmediatamente se destacaron como nada triviales o carentes de rasgos distintivos".

Durante mucho tiempo, los aisladores topológicos se han destacado por su capacidad para transportar corrientes eléctricas en sus superficies y al mismo tiempo tienen interiores aislantes. Sin embargo, los HOTI restringirían la conducción eléctrica a un borde unidimensional, o "bisagra", en lugar de a toda la superficie bidimensional.

"Charles Kane, que descubrió los aislantes topológicos, introdujo una buena analogía", dijo Benjamin Wieder, miembro de la facultad del Institut de Physique Théorique de la Universidad Paris-Saclay y codirector del proyecto. "Podemos pensar en los aisladores topológicos estándar como los besos de Hershey. Una lámina metálica conductora envuelta alrededor de un aislante que no conduce electricidad, el chocolate en este caso, es una muy buena manera de entenderlos. Sin embargo, con los HOTI es como si Alguien tomó el papel de aluminio y lo arrugó formando un fino anillo que rodeaba el chocolate."

Si bien se han observado estados conductores de superficie en aisladores topológicos estándar, resolver la bisagra en los HOTI ha demostrado ser excepcionalmente difícil. Bradlyn explicó que esta propiedad sólo puede existir en muestras de materiales que tienen un grado inusualmente alto de simetría, lo que significa que sus estructuras cristalinas deben ser irrealmente perfectas.

En cambio, Bradlyn y sus colaboradores dirigieron su atención del estado bisagra al interior, donde los electrones tienden a "deslocalizarse" de los átomos individuales y extenderse por todo el material. A diferencia de estudios anteriores que tratan a todos los electrones por igual, los investigadores consideraron diferencias en el espín, una propiedad de los electrones que les permite comportarse como imanes en miniatura.

"Cuando dividimos los electrones interiores en sus dos posibles estados de espín, arriba y abajo, vimos que cada estado deja una firma superficial única", dijo Kuan-Sen Lin, estudiante graduado en física de la U. de I. y autor del estudio. autor principal. "Aunque la superficie de un HOTI parece poco interesante, cuando se observa lo que cada giro hace por separado en la superficie, surge un nuevo comportamiento inequívoco que esperamos que pronto se mida en experimentos".

Debido a que los electrones con diferentes espines se comportan como imanes, responden de manera diferente cuando se aplica voltaje eléctrico al material, lo que hace que los dos estados de espín se acumulen en lados opuestos. Esta acumulación se puede detectar aprovechando el efecto Kerr magnetoóptico, en el que la polarización u orientación de la luz cambia cuando se refleja en la superficie de un imán. En el caso de los HOTI, los investigadores calcularon el cambio de polarización de cada estado de espín y descubrieron que era exactamente la mitad del cambio que resultaría de un aislante ordinario.

"En la analogía de Kiss, podríamos esperar que debido a que el papel de aluminio se ha arrugado, el chocolate esté en contacto directo con el aire", dijo Gregory Fiete, profesor de física en la Universidad Northeastern y autor correspondiente del estudio. "Con los comportamientos superficiales dependientes del giro que encontramos, podemos decir que, de hecho, hay una capa transparente que mantiene el chocolate separado del resto del supermercado".

Al basarse en cálculos de primeros principios con el conjunto de herramientas teóricas especializadas que los investigadores desarrollaron para este estudio, identificaron el bromuro de bismuto metálico como un candidato muy fuerte para observar este efecto. Actualmente están trabajando con el profesor de física de la U. of I. Fahad Mahmood y el profesor de ciencia e ingeniería de materiales de la U. of I. Daniel Shoemaker para diseñar y realizar los experimentos propuestos en este estudio.

"Las propiedades de los HOTI que identificamos aquí serían muy útiles en la computación cuántica y en los dispositivos espintrónicos, pero primero necesitamos verlas en experimentos", dijo Bradlyn. Wieder añadió:"Esperamos que nuestro trabajo demuestre que el interior y las superficies de los materiales topológicos aún albergan muchas características misteriosas y ventajosas si se sabe buscarlas".

Los cálculos de los primeros principios sobre el bromuro de bismuto fueron realizados por Zhaopeng Guo y Zhijun Wang de la Academia de Ciencias de China. Jeremey Blackburn, de la Universidad de Binghamton, proporcionó soporte computacional adicional. Giandomenico Palumbo del Instituto de Estudios Avanzados de Dublín y Yoonseok Hwang de la U. de I. también contribuyeron a este trabajo.

Más información: Kuan-Sen Lin et al, Topología resuelta por espín y ángulos de axión parciales en aisladores tridimensionales, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-44762-w

Información de la revista: Comunicaciones sobre la naturaleza

Proporcionado por la Facultad de Ingeniería Grainger de la Universidad de Illinois