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Nuevo estado cuántico en un elemento sólido que nadie predijo

Físicos de la Universidad de Princeton han observado un nuevo efecto cuántico denominado “topología híbrida” en un material cristalino

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Físicos de la Universidad de Princeton han observado un nuevo efecto cuántico denominado “topología híbrida” en un material cristalino.

Este hallazgo abre una nueva gama de posibilidades para el desarrollo de materiales y tecnologías eficientes para la ciencia y la ingeniería cuánticas de próxima generación, según los investigadores.

El hallazgo, publicado en Nature, se produjo cuando los científicos descubrieron que un cristal sólido elemental hecho de átomos de arsénico (As) alberga una forma nunca antes observada de comportamiento cuántico topológico. Pudieron explorar y obtener imágenes de este nuevo estado cuántico utilizando un microscopio de efecto túnel (STM) y espectroscopia de fotoemisión, esta última una técnica utilizada para determinar la energía relativa de los electrones en moléculas y átomos.

Este estado combina, o “hibrida”, dos formas de comportamiento cuántico topológico: estados de borde y estados de superficie, que son dos tipos de sistemas cuánticos de electrones bidimensionales. Estos se han observado en experimentos anteriores, pero nunca simultáneamente en el mismo material donde se mezclan para formar un nuevo estado de la materia.

Nadie lo predijo teóricamente

“Este hallazgo fue completamente inesperado”, dijo en un comunicado M. Zahid Hasan, profesor de Física en la Universidad de Princeton, quien dirigió la investigación. “Nadie lo predijo en teoría antes de su observación”.

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.

Durante más de una década, los científicos han utilizado aisladores topológicos basados en bismuto (Bi) para demostrar y explorar efectos cuánticos exóticos en sólidos a granel, principalmente mediante la fabricación de materiales compuestos, como la mezcla de Bi con selenio (Se), por ejemplo. Sin embargo, este experimento es la primera vez que se descubren efectos topológicos en cristales hechos del elemento As.

“La búsqueda y el descubrimiento de nuevas propiedades topológicas de la materia se han convertido en uno de los tesoros más buscados de la física moderna, tanto desde el punto de vista de la física fundamental como para encontrar aplicaciones potenciales en la ciencia e ingeniería cuánticas de próxima generación”, dijo Hasán. “El descubrimiento de este nuevo estado topológico creado en un sólido elemental fue posible gracias a múltiples avances experimentales innovadores e instrumentaciones en nuestro laboratorio de Princeton”.

Un sólido elemental sirve como una valiosa plataforma experimental para probar varios conceptos de topología. Hasta ahora, el bismuto ha sido el único elemento que alberga un rico entramado de topología, lo que ha dado lugar a dos décadas de intensas actividades de investigación. Esto se atribuye en parte a la limpieza del material y a la facilidad de síntesis. Sin embargo, el descubrimiento actual de fenómenos topológicos aún más ricos en arsénico potencialmente allanará el camino para nuevas y sostenidas direcciones de investigación.

“Por primera vez, demostramos que, al igual que diferentes fenómenos correlacionados, distintos órdenes topológicos también pueden interactuar y dar lugar a fenómenos cuánticos nuevos e intrigantes”, dijo Hasan.

Un material topológico es el componente principal utilizado para investigar los misterios de la topología cuántica. Este dispositivo actúa como aislante en su interior, lo que hace que los electrones de su interior no tengan libertad de movimiento y, por tanto, no conduzcan 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. Este tipo de dispositivo tiene el potencial no sólo de mejorar la tecnología sino también de generar una mayor comprensión de la materia misma al sondear las propiedades electrónicas cuánticas.

Hasan señaló que existe mucho interés en utilizar materiales topológicos para aplicaciones prácticas. Pero es necesario que se produzcan dos avances importantes antes de que esto pueda realizarse. En primer lugar, los efectos topológicos cuánticos deben manifestarse a temperaturas más altas. En segundo lugar, es necesario encontrar sistemas materiales simples y elementales (como el silicio para la electrónica convencional) que puedan albergar fenómenos topológicos.

“En nuestros laboratorios, hacemos esfuerzos en ambas direcciones: estamos buscando sistemas de materiales más simples con facilidad de fabricación donde se puedan encontrar efectos topológicos esenciales”, dijo Hasan. “También estamos buscando cómo hacer que estos efectos sobrevivan a temperatura ambiente”.

Las raíces 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, se han estudiado fases topológicas y se han desarrollado muchas clases nuevas de materiales cuánticos con propiedades topológicas. Se han encontrado estructuras electrónicas. En particular, Daniel Tsui, profesor emérito de Ingeniería Eléctrica en Princeton, ganó el Premio Nobel de Física en 1998 por descubrir el efecto Hall cuántico fraccionario.

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