Se realiza un estado semimetálico de Dirac topológico en el punto crítico de la transición de fase de un aislante normal a un aislante topológico. Los signos + y - denotan la paridad par e impar de las bandas de energía. Crédito:Yulin Chen, Oxford
El descubrimiento de lo que es esencialmente una versión 3D del grafeno, las láminas de carbono 2D a través de las cuales los electrones corren a muchas veces la velocidad a la que se mueven a través del silicio, promete cosas nuevas y emocionantes por venir para la industria de alta tecnología. incluyendo transistores mucho más rápidos y discos duros mucho más compactos. Una colaboración de investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del DOE (Berkeley Lab) ha descubierto que el bismutato de sodio puede existir como una forma de materia cuántica llamada semimetal de Dirac topológico tridimensional (3DTDS). Esta es la primera confirmación experimental de fermiones Dirac 3D en el interior o en la masa de un material, un estado novedoso que fue propuesto recientemente por los teóricos.
"Un 3DTDS es una contraparte tridimensional natural del grafeno con electrones de velocidad y movilidad similares o incluso mejores, "dice Yulin Chen, un físico con Advanced Light Source (ALS) de Berkeley Lab cuando inició el estudio que condujo a este descubrimiento, y ahora con la Universidad de Oxford. "Debido a sus fermiones 3D Dirac en la mayor parte, un 3DTDS también presenta una magnetorresistencia lineal no saturante intrigante que puede ser órdenes de magnitud más alta que los materiales GMR que ahora se usan en los discos duros, y abre la puerta a sensores ópticos más eficientes ".
Chen es el autor correspondiente de un artículo en Ciencias informar el descubrimiento. El artículo se titula "Descubrimiento de un semimetal de Dirac topológico tridimensional, N / A 3 Bi. "Los coautores fueron Zhongkai Liu, Bo Zhou, Yi Zhang, Zhijun Wang, Hongming Weng, Dharmalingam Prabhakaran, Sung-Kwan Mo, Zhi-Xun Shen, Zhong Fang, Xi Dai y Zahid Hussain.
Dos de los materiales nuevos más interesantes del mundo de la alta tecnología actual son el grafeno y los aislantes topológicos. Materiales cristalinos que son eléctricamente aislantes en su mayor parte pero conductores en la superficie. Ambos cuentan con fermiones Dirac 2D (fermiones que no son su propia antipartícula), que dan lugar a propiedades físicas extraordinarias y muy codiciadas. Los aisladores topológicos también poseen una estructura electrónica única, en el que los electrones a granel se comportan como los de un aislante, mientras que los electrones de superficie se comportan como los del grafeno.
Beamline 10.0.1 en la fuente de luz avanzada de Berkeley Lab está optimizado para el estudio de estructuras de electrones y sistemas de electrones correlacionados. Crédito:Roy Kaltschmidt, Laboratorio de Berkeley
"El rápido desarrollo del grafeno y los aislantes topológicos ha planteado dudas sobre si existen contrapartes 3D y otros materiales con una topología inusual en su estructura electrónica, "dice Chen." Nuestro descubrimiento responde a ambas preguntas. En el bismutato de sodio que estudiamos, las bandas de valencia y conducción masiva se tocan solo en puntos discretos y se dispersan linealmente a lo largo de las tres direcciones del momento para formar fermiones Dirac 3D masivos. Es más, la topología de una estructura electrónica 3DTSD también es tan única como la de los aisladores topológicos ".
El descubrimiento se realizó en Advanced Light Source (ALS), una instalación nacional para usuarios del DOE ubicada en Berkeley Lab, utilizando la línea de luz 10.0.1, que está optimizado para estudios de estructura de electrones. El equipo de investigación colaborador desarrolló primero un procedimiento especial para sintetizar y transportar adecuadamente el bismutato de sodio, un compuesto semi-metálico identificado como un fuerte candidato a 3DTDS por los coautores Fang y Dai, teóricos de la Academia de Ciencias de China.
En la línea de luz ALS 10.0.1, los colaboradores determinaron la estructura electrónica de su material mediante Espectroscopía de Fotoemisión Resuelta en Ángulo (ARPES), en el que los rayos X que inciden en una superficie o interfaz de un material provocan la fotoemisión de electrones en ángulos y energías cinéticas que pueden medirse para obtener un espectro electrónico detallado.
"La línea de luz ALS 10.0.1 es perfecta para explorar nuevos materiales, ya que tiene una capacidad única por la cual el analizador se mueve en lugar de la muestra para los escaneos de medición ARPES, ", Dice Chen." Esto hizo que nuestro trabajo fuera mucho más fácil, ya que la superficie de muestra escindida de nuestro material a veces tiene múltiples facetas, lo que hace que los esquemas de medición de muestras rotativas que se emplean típicamente para las mediciones ARPES sean difíciles de realizar ".
El bismutato de sodio es demasiado inestable para usarse en dispositivos sin el empaque adecuado, pero desencadena la exploración para el desarrollo de otros materiales 3DTDS más adecuados para dispositivos cotidianos, una búsqueda que ya está en marcha. El bismutato de sodio también se puede utilizar para demostrar aplicaciones potenciales de los sistemas 3DTDS, que ofrecen algunas ventajas distintas sobre el grafeno.
"Un sistema 3DTDS podría proporcionar una mejora significativa en la eficiencia en muchas aplicaciones sobre el grafeno debido a su volumen 3D, "Chen dice". Además, La preparación de películas de grafeno de dominio único atómicamente delgadas de gran tamaño sigue siendo un desafío. Podría ser más fácil fabricar dispositivos de tipo grafeno para una gama más amplia de aplicaciones de los sistemas 3DTDS ".
Además, Chen dice, un sistema 3DTDS también abre la puerta a otras propiedades físicas novedosas, como el diamagnetismo gigante que diverge cuando la energía se acerca al punto 3D de Dirac, magnetorresistencia cuántica en la mayor parte, estructuras únicas de nivel Landau bajo fuertes campos magnéticos, y efectos Hall de giro cuántico oscilante. Todas estas propiedades novedosas pueden ser de gran ayuda para las futuras tecnologías electrónicas. Los futuros sistemas 3DTDS también pueden servir como una plataforma ideal para aplicaciones en espintrónica.
