Los físicos teóricos del Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC del Departamento de Energía utilizaron simulaciones por computadora para mostrar cómo pulsos de luz especiales podían crear canales robustos donde la electricidad fluye sin resistencia en un semiconductor atómicamente delgado.

Si este enfoque es confirmado por experimentos, podría abrir la puerta a una nueva forma de crear y controlar esta propiedad deseable en una gama de materiales más amplia de lo que es posible en la actualidad.

El resultado fue publicado en Comunicaciones de la naturaleza .

En la última década, La comprensión de cómo crear este tipo de material exótico, conocido como "protegido topológicamente" porque sus estados superficiales son impermeables a distorsiones menores, ha sido un tema candente de investigación en la ciencia de los materiales. Los ejemplos más conocidos son los aislantes topológicos, que conducen la electricidad sin resistencia en canales confinados a lo largo de sus bordes o superficies, pero no a través de sus interiores.

Los investigadores de SLAC y de la Universidad de Stanford han estado a la vanguardia en el descubrimiento de dichos materiales y en la investigación de sus propiedades. que podría tener aplicaciones futuras en circuitos y dispositivos microelectrónicos. El Premio Nobel de Física de este año fue otorgado a tres científicos que sugirieron por primera vez la posibilidad de propiedades materiales protegidas topológicamente.

Estudios teóricos anteriores habían analizado cómo la luz podría inducir fenómenos topológicamente protegidos en el grafeno, una hoja de carbono puro de tan solo un átomo de espesor. Desafortunadamente, se necesitaría una energía e intensidad de luz impracticablemente alta para inducir ese efecto en el grafeno. En este estudio, Los investigadores de SLAC se centraron en el disulfuro de tungsteno y compuestos relacionados, que forman láminas de solo una molécula de espesor y son intrínsecamente semiconductoras.

Los investigadores simularon experimentos en los que pulsos de luz polarizada circularmente, en el rango de longitud de onda del rojo al infrarrojo cercano, golpee una sola capa de disulfuro de tungsteno. Los resultados mostraron que durante el tiempo que el material estuvo iluminado, sus electrones se organizaron de una manera fundamentalmente diferente del grafeno, creando nuevos caminos sin absolutamente ninguna resistencia eléctrica a lo largo de los bordes de la muestra.

Para tener en cuenta las interacciones fluctuantes entre las ondas de luz y los electrones, los investigadores emplearon un marco de referencia que variaba periódicamente en el tiempo y que tenía raíces que se remontan a la década de 1880 y al matemático francés Gaston Floquet. El enfoque mostró claramente que la luz de menor energía, a lo que el material parecería transparente, crearía protegido topológicamente, trayectorias de borde sin resistencia en la monocapa de disulfuro de tungsteno.

Es más, la simulación mostró que el calentamiento no deseado del material que interrumpiría los caminos podría evitarse ajustando la energía de la luz para que sea ligeramente menor que la energía "resonante" más eficiente.

"Somos los primeros en conectar modelos de materiales de primeros principios con estados protegidos topológicamente inducidos por la luz mientras mitigamos el exceso de calentamiento del material, "dijo Martin Claassen, estudiante de posgrado de Stanford que trabaja en SLAC y autor principal del artículo técnico.

Los investigadores están en discusiones con otros grupos de investigación que podrían conducir a experimentos que prueben sus predicciones teóricas en materiales reales.