Nuevo Material Electrónico Cuántico Descubierto Por Físicos

Material electrónico cuántico de metal Kagome

Una ilustración que muestra un metal kagome, un cristal conductor de electricidad, hecho de capas de átomos de hierro y estaño, con cada capa atómica dispuesta en el patrón repetitivo de una red de kagome. Imagen: Felice Frankel; Superposición de ilustraciones: Chelsea Turner

Con una estructura atómica que se asemeja a un patrón japonés de tejido de cestas, el “metal kagome” exhibe un comportamiento exótico y cuántico.

Un motivo del tejido de cestas japonés conocido como patrón kagome ha preocupado a los físicos durante décadas. Las cestas de Kagome suelen estar hechas de tiras de bambú tejidas en un patrón altamente simétrico de triángulos entrelazados que comparten esquinas.

Si se pudiera hacer que un metal u otro material conductor se pareciera a un patrón kagome a escala atómica, con átomos individuales dispuestos en patrones triangulares similares, en teoría debería exhibir propiedades electrónicas exóticas. 

En un artículo publicado hoy en Nature , físicos de MIT , La Universidad de Harvard y el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley informan que han producido por primera vez un metal kagome, un cristal conductor de electricidad, hecho de capas de átomos de hierro y estaño, con cada capa atómica dispuesta en el patrón repetitivo de una red de kagome.

Cuando hicieron fluir una corriente a través de las capas de kagome dentro del cristal, los investigadores observaron que la disposición triangular de los átomos inducía comportamientos extraños de tipo cuántico en la corriente que pasaba. En lugar de fluir directamente a través de la red, los electrones se desviaron o retrocedieron dentro de la red.

Este comportamiento es un primo tridimensional del llamado efecto Quantum Hall, en el que los electrones que fluyen a través de un material bidimensional exhibirán un “estado quiral, topológico”, en el que se doblan en trayectorias circulares estrechas y fluyen a lo largo de los bordes. sin perder energía.

“Al construir la red kagome de hierro, que es inherentemente magnética, este comportamiento exótico persiste a temperatura ambiente y más”, dice Joseph Checkelsky, profesor asistente de física en el MIT. “Las cargas en el cristal no solo sienten los campos magnéticos de estos átomos, sino también una fuerza magnética puramente mecánica cuántica de la red. Esto podría conducir a una conducción perfecta, similar a la superconductividad, en futuras generaciones de materiales “.

Para explorar estos hallazgos, el equipo midió el espectro de energía dentro del cristal, utilizando una versión moderna de un efecto descubierto por primera vez por Heinrich Hertz y explicado por Einstein, conocido como efecto fotoeléctrico. 

“Fundamentalmente, los electrones se expulsan primero de la superficie del material y luego se detectan en función del ángulo de despegue y la energía cinética”, dice Riccardo Comin, profesor asistente de física en el MIT. “Las imágenes resultantes son una instantánea muy directa de los niveles electrónicos ocupados por electrones, y en este caso revelaron la creación de partículas ‘Dirac’ casi sin masa, una versión cargada eléctricamente de fotones, los cuantos de luz”.

Los espectros revelaron que los electrones fluyen a través del cristal de una manera que sugiere que los electrones originalmente sin masa ganaron una masa relativista, similar a las partículas conocidas como fermiones masivos de Dirac. En teoría, esto se explica por la presencia de los átomos de hierro y estaño constituyentes de la red. Los primeros son magnéticos y dan lugar a una “destreza manual” o quiralidad. Estos últimos poseen una carga nuclear más pesada, produciendo un gran campo eléctrico local. A medida que pasa una corriente externa, detecta el campo del estaño no como un campo eléctrico sino como uno magnético, y se desvía.

El equipo de investigación fue dirigido por Checkelsky y Comin, así como por los estudiantes graduados Linda Ye y Min Gu Kang en colaboración con Liang Fu, el profesor asociado de física de Biedenharn y el posdoctorado Junwei Liu. El equipo también incluye a Christina Wicker ’17, el científico investigador Takehito Suzuki del MIT, Felix von Cube y David Bell de Harvard, y Chris Jozwiak, Aaron Bostwick y Eli Rotenberg del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley.

“No se requiere alquimia”

Los físicos han teorizado durante décadas que los materiales electrónicos podrían apoyar el comportamiento exótico de Quantum Hall con su carácter magnético inherente y geometría de celosía. No fue hasta hace varios años que los investigadores avanzaron en la realización de dichos materiales.

“La comunidad se dio cuenta de por qué no hacer el sistema con algo magnético, y luego el magnetismo inherente del sistema quizás podría impulsar este comportamiento”, dice Checkelsky, quien en ese momento trabajaba como investigador en la Universidad de Tokio. 

Esto eliminó la necesidad de campos producidos en laboratorio, típicamente 1 millón de veces más fuertes que el campo magnético de la Tierra, necesarios para observar este comportamiento. 

“Varios grupos de investigación pudieron inducir un efecto Hall cuántico de esta manera, pero aún a temperaturas ultrafrías unos pocos grados por encima cero absoluto – el resultado del magnetismo con calzador en un material donde no se produjo de forma natural ”, dice Checkelsky. 

En el MIT, Checkelsky ha buscado formas de impulsar este comportamiento con “magnetismo intrínseco”. Una idea clave, motivada por el trabajo de doctorado de Evelyn Tang PhD ’15 y el profesor Xiao-Gang Wen, fue buscar este comportamiento en el enrejado de kagome. Para hacerlo, el primer autor Ye trituró hierro y estaño, luego calentó el polvo resultante en un horno, produciendo cristales a unos 750 grados. Celsius – la temperatura a la que los átomos de hierro y estaño prefieren organizarse en un patrón tipo kagome. Luego sumergió los cristales en un baño de hielo para permitir que los patrones de celosía se mantuvieran estables a temperatura ambiente.

“El patrón de kagome tiene grandes espacios vacíos que pueden ser fáciles de tejer a mano, pero a menudo son inestables en sólidos cristalinos que prefieren el mejor empaque de átomos”, dice Ye. “El truco aquí era llenar estos vacíos con un segundo tipo de átomo en una estructura que era al menos estable a altas temperaturas. Darse cuenta de estos materiales cuánticos no necesita alquimia, sino ciencia de los materiales y paciencia “.

Inclinarse y saltar hacia una pérdida de energía cero

Una vez que los investigadores cultivaron varias muestras de cristales, cada una de aproximadamente un milímetro de ancho, entregaron las muestras a colaboradores de Harvard, quienes tomaron imágenes de las capas atómicas individuales dentro de cada cristal utilizando microscopía electrónica de transmisión. Las imágenes resultantes revelaron que la disposición de los átomos de hierro y estaño dentro de cada capa se parecía a los patrones triangulares de la red de kagome. Específicamente, los átomos de hierro se colocaron en las esquinas de cada triángulo, mientras que un solo átomo de estaño se sentó dentro del espacio hexagonal más grande creado entre los triángulos entrelazados.

Luego, pasaste una corriente eléctrica a través de las capas cristalinas y monitoreaste su flujo a través de los voltajes eléctricos que producían. Descubrió que las cargas se desviaron de una manera que parecía bidimensional, a pesar de la naturaleza tridimensional de los cristales. La prueba definitiva provino de los experimentos de fotoelectrones llevados a cabo por el coautor Kang, quien, en concierto con el equipo de LBNL, pudo demostrar que los espectros electrónicos correspondían efectivamente a electrones bidimensionales. 

“Al observar de cerca las bandas electrónicas, notamos algo inusual”, agrega Kang. “Los electrones de este material magnético se comportaron como partículas de Dirac masivas, algo que se había predicho hace mucho tiempo pero nunca antes se había visto en estos sistemas”.

“La capacidad única de este material para entrelazar el magnetismo y la topología sugiere que bien pueden engendrar otros fenómenos emergentes”, dice Comin. “Nuestro próximo objetivo es detectar y manipular los estados de borde que son la consecuencia misma de la naturaleza topológica de estas fases electrónicas cuánticas recién descubiertas”. 

Mirando más allá, el equipo ahora está investigando formas de estabilizar otras estructuras de celosía de kagome más bidimensionales. Dichos materiales, si se pueden sintetizar, podrían usarse para explorar no solo dispositivos con pérdida de energía cero, como líneas eléctricas sin disipación, sino también aplicaciones para computación cuántica .

“Para nuevas direcciones en la ciencia de la información cuántica, existe un interés creciente en los circuitos cuánticos novedosos con vías que no se disipan y son quirales”, dice Checkelsky. “Estos metales kagome ofrecen una nueva vía de diseño de materiales para realizar nuevas plataformas para circuitos cuánticos”.

Esta investigación fue apoyada en parte por la Fundación Gordon y Betty Moore y la Fundación Nacional de Ciencias.

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