(Phys.org):a granel, Los aislantes topológicos (TI) son buenos aislantes, pero en su superficie actúan como metales, con un giro:el giro y la dirección de los electrones que se mueven a través de la superficie de un TI están bloqueados. Los TI ofrecen oportunidades únicas para controlar las corrientes eléctricas y el magnetismo, y una nueva investigación de un equipo de científicos de China y EE. UU., trabajando con Alexei Fedorov de Berkeley Lab en la línea de luz 12.0 en la fuente de luz avanzada, señala formas de manipular sus estados de superficie.

Grafeno una sola capa de átomos de carbono, comparte una propiedad intrigante con los TI. En ambos, sus estructuras de bandas, las energías a las que los electrones fluyen libremente en una banda de conducción o están unidos a los átomos en una banda de valencia, son bastante diferentes a las bandas superpuestas de metales, las bandas de aisladores ampliamente separadas, o el estrecho espacio de energía de un semiconductor entre bandas. En grafeno y TI, las bandas de conducción y valencia forman conos que se encuentran en un punto, el punto de Dirac.

Aquí termina su parecido. Los conos perfectos del grafeno dan solo una visión esquemática de la estructura de la banda real:aparece una desviación de las líneas perfectamente rectas cuando se incluyen todas las posibles interacciones de los electrones en su camino a través de la red de átomos de carbono, un proceso llamado "renormalización". Renormalizar los estados electrónicos cerca del punto de Dirac (en otras palabras, dibujar las puntas de los conos) requiere comprender el comportamiento colectivo de numerosos electrones y huecos cargados positivamente (ausencias de electrones, también conocidas como cuasipartículas).

Se ha observado renormalización en grafeno, pero no en TI, hasta ahora, y hacerlo requirió un truco. Los investigadores estudiaron diferentes compuestos de TI utilizando espectroscopía de fotoemisión de resolución angular (ARPES) en la línea de luz 12.0, que tiene la capacidad única de obtener imágenes de estructuras de bandas electrónicas directamente. Tomaron espectros de dos aislantes topológicos prometedores, telururo de bismuto y seleniuro de bismuto.

Los TI tienen dos conjuntos de estructuras de bandas, haciéndose eco de la diferencia entre sus propiedades de volumen y de superficie, y cuando ARPES tomó imágenes de los compuestos de muestra "desnudos, "las bandas de volumen oscurecieron los conos de la superficie y las puntas de Dirac. Pero después de aplicar capas de películas de bismuto puro, que también es una TI, sobre los compuestos, las molestas bandas a granel desaparecieron.

En un compuesto en capas, bismuto sobre telururo de bismuto, ARPES reveló dramáticamente el punto de Dirac, de hecho, dos de ellos. Aparecieron dos conjuntos de líneas convergentes, uno se encuentra en el vértice de la banda de valencia superficial del telururo de bismuto y el otro en una energía superior. Una línea vertical brillante conectaba las puntas de los dos conos.

Si los conos estuvieran realmente separados, las partículas cargadas entre ellas tendrían una velocidad infinita. Pero después del análisis, los investigadores determinaron que el espectro ARPES era un híbrido, y que la línea vertical reveladora se originó a partir de interacciones de muchos cuerpos que eran el signo de la renormalización de bloqueo del infinito que estaban buscando.

Lo que hace que las interacciones de muchos cuerpos sean difíciles de detectar en las TI es que, a diferencia del grafeno, sus estructuras de banda de superficie están polarizadas por espín, o "helicoidal". Al hibridar dos TI especialmente bien emparejados y sesgar sus conos de Dirac, se ha encontrado la renormalización oculta, en al menos una estructura de TI.