El descubrimiento de un nuevo fenómeno cuántico en material cristalino conocido por los físicos como “topología híbrida” ofrece excelentes perspectivas para las tecnologías cuánticas de próxima generación. Los científicos de Princeton examinaron un cristal sólido formado por átomos de arsénico (As) e hicieron el descubrimiento, que se publicó en la revista Nature el 10 de abril.

Investigaron y capturaron imágenes de este estado cuántico distintivo utilizando espectroscopia de emisión óptica y microscopía de efecto túnel (STM). Este estado presenta un nuevo tipo de comportamiento cuántico topológico que no se ha observado antes en el mismo material, combinando estados de borde y estados de superficie. Esta es la primera vez que estos comportamientos aparecen juntos, dando como resultado un estado único de la materia, aunque se han observado de forma independiente en pruebas anteriores.

En los últimos años, el estudio de los estados topológicos de la materia ha despertado un gran interés por parte de ingenieros y físicos de todo el mundo. Este campo de estudio combina la topología (la rama de las matemáticas que estudia las propiedades geométricas que pueden cambiarse sin afectar su naturaleza fundamental) con la física cuántica.

Los científicos llevan más de una década estudiando extraños fenómenos cuánticos en sólidos a granel utilizando materiales a base de bismuto (Bi). Estos materiales suelen ser compuestos, como el bismuto y el selenio (Se). Pero este último experimento es el primero en mostrar resultados topológicos en cristales compuestos enteramente de átomos de arsénico (As).

El descubrimiento de nuevas propiedades topológicas en un sólido simple es de gran interés. Abre posibilidades interesantes para la investigación fundamental y aplicaciones prácticas en ciencia e ingeniería cuánticas.

Los investigadores descubrieron estos estados topológicos inesperados en cristales de arsénico utilizando sofisticados métodos experimentales creados en el laboratorio de Princeton. Por su sencillez en estructura y limpieza, el bismuto ha sido el elemento más investigado por sus propiedades topológicas. Sin embargo, el descubrimiento del arsénico indica un nuevo enfoque para este tipo de investigación.

Por primera vez, los investigadores han demostrado que distintos sistemas topológicos también pueden interactuar y dar lugar a nuevos e interesantes fenómenos cuánticos similares a los de coherencia.

Se necesitan materiales topológicos para revelar los secretos de la topología cuántica. El interior de estos materiales actúa como aislante, impidiendo que los electrones se muevan libremente y conduzcan la electricidad. Sin embargo, los bordes del material son conductores porque los electrones pueden moverse libremente. Lo sorprendente de estos electrones de borde es que sus propiedades topológicas únicas evitan que se vean afectados por errores o distorsiones.

Al examinar las propiedades electrónicas cuánticas de la materia, este tipo de dispositivo puede mejorar nuestra comprensión de la materia y la tecnología.

M confirmó. Zahid Hasan, profesor de Física Eugene Huygens en la Universidad de Princeton, destacó lo apasionante que es utilizar materiales topológicos en aplicaciones del mundo real. Sin embargo, para que esto suceda, se necesitan dos avances importantes. En primer lugar, a altas temperaturas, deberíamos poder ver fenómenos topológicos cuánticos. En segundo lugar, los investigadores deben encontrar materiales que puedan mostrar estos fenómenos topológicos. Estos materiales deben ser básicos y elementales, como el silicio en la electrónica convencional.

Sobre la base del efecto Hall cuántico (un fenómeno topológico histórico que ganó el Premio Nobel de Física en 1985), se han descubierto materiales topológicos. Desde entonces, los científicos han investigado las fases topológicas y han producido muchos materiales cuánticos con estructuras electrónicas distintas.

Entre los científicos destacados en este campo se encuentran Daniel Tsui y F. Duncan Haldane de la Universidad de Princeton, que recibieron premios Nobel por sus resultados sobre las transiciones de fase topológicas y el efecto Hall cuántico.

El Dr. Hassan y sus colegas de la Universidad de Princeton han estado estudiando diferentes aspectos de los aislantes topológicos y buscando nuevos estados de la materia, siguiendo sus pasos. Encontrar los primeros ejemplos de aislantes topológicos 3D en 2007 fue un gran avance. Durante los últimos 10 años, han buscado un nuevo estado topológico que pueda funcionar a temperatura ambiente.

Para explotar plenamente el potencial de los aisladores topológicos en aplicaciones del mundo real, el Dr. Hassan enfatiza la importancia de integrar cálculos teóricos, diseño estructural y química atómica. Esto requiere una comprensión profunda de los materiales y una experimentación exhaustiva para encontrar buenos candidatos. A lo largo del camino han explorado una variedad de materiales a base de bismuto, lo que ha llevado a varios avances importantes en el campo de los materiales topológicos.

En teoría, los materiales a base de bismuto pueden soportar el estado topológico de la materia a temperaturas muy altas. Sin embargo, requiere una preparación compleja del material en entornos de vacío muy altos, por lo que los científicos optaron por investigar varios métodos alternativos. El Dr. Shafayat Hossain, investigador postdoctoral, propuso cristalizar el arsénico porque puede generarse en una forma más limpia que muchos compuestos de bismuto.

Cuando Hussain y Yuxiao Jiang, un estudiante de posgrado en el laboratorio de Hassan, invirtieron el STM en una muestra de arsénico, hicieron un descubrimiento sorprendente: el arsénico gris, un tipo de arsénico con apariencia metálica, alberga simultáneamente estados superficiales topológicos y estados de borde.

El investigador postdoctoral Dr. Shafayat Hussain dijo: “Nos sorprendió. Se suponía que el arsénico gris sólo tenía estados superficiales. Pero cuando examinamos los bordes de los escalones atómicos, también encontramos hermosos modos de borde conductores”.

“No debería existir un modo de borde sin espacios en un borde de gradiente monocapa aislado”, continuó Jiang, co-primer autor del trabajo.

Esto lo confirman los cálculos realizados por Rajib Islam, investigador postdoctoral de la Universidad de Alabama en Birmingham, Alabama, y ​​Frank Schindler, becario postdoctoral y teórico de la materia condensada del Imperial College de Londres, en el Reino Unido.

Schindler dice, “Los estados de la superficie se mezclan con los estados con espacios en el borde y forman un estado sin espacios una vez que el borde se coloca sobre la muestra recolectada”.

“Esta es la primera vez que vemos tal hibridación”.

Físicamente, no se espera que los aisladores topológicos sólidos o de orden superior por sí solos presenten un estado libre de espacios en el borde del escalón. En cambio, se espera que esto sólo ocurra en materiales híbridos que exhiban ambos tipos de estructura cuántica. Este estado libre de espacios difiere de los estados articulados o de superficie en los aisladores sólidos topológicos de orden superior. Como resultado, el descubrimiento experimental del equipo de Princeton reveló un estado topológico que nunca antes se había observado.

David Hsieh, jefe del Departamento de Física de Caltech e investigador independiente, confirmó los nuevos hallazgos de la investigación. Observó que algunos materiales pueden pertenecer simultáneamente a dos clases topológicas diferentes. Los estados límite de estas dos topologías podrían potencialmente interactuar y crear un estado cuántico nuevo y más complejo.

Los investigadores utilizaron mediciones de microscopio de efecto túnel y espectroscopia de fotoemisión de alta resolución para validar aún más sus hallazgos.

Algunas de las mediciones de fotoemisión fueron realizadas por Zi-Jia Cheng, un estudiante graduado del grupo de Hassan y uno de los primeros coautores de este trabajo. “La muestra gris es muy limpia y encontramos firmas claras del estado topológico de la superficie”, dijo.

Los investigadores investigaron la relación única entre volumen, superficie y borde asociada con el estado topológico híbrido mediante la integración de múltiples metodologías experimentales, que confirmaron los resultados experimentales.

Este resultado tiene dos implicaciones. En primer lugar, monitorear el estado de la superficie y la ubicación topológica integrada de los bordes abre la puerta a la creación de nuevas vías de transferencia de electrones. Esto podría conducir a la creación de nuevas herramientas para la computación cuántica o la ciencia de la información cuántica. Los investigadores de Princeton han demostrado que estos modos de borde topológico existen sólo a lo largo de ciertas configuraciones geométricas que coinciden con las simetrías del cristal, proporcionando una manera de construir diferentes tipos de futuros dispositivos y nanoelectrónica basados ​​en espín.

La sociedad se beneficia del descubrimiento de nuevos materiales y cualidades cuando mira las cosas a mayor escala. El descubrimiento de sólidos elementales como plataformas materiales en el campo de los materiales cuánticos (como el bismuto para topología de alto orden o el antimonio para topología fuerte) ha llevado a la creación de materiales innovadores que han mejorado drásticamente el estudio de los materiales topológicos.

“Esperamos que el arsénico, con su topología única, sirva como una nueva plataforma para el desarrollo de nuevos materiales topológicos y dispositivos cuánticos que actualmente no se pueden lograr con las plataformas existentes”. señaló Hassan. “¡Esto abre nuevas y apasionantes fronteras en la ciencia de los materiales y la nueva física!”

Referencia de la revista:

1. Muhammad Shafayat Hossain, Frank Schindler, Rajib Islam, Zahir Muhammad y otros. Un estado cuántico topológico híbrido en un sólido. naturaleza. Identificación digital: 10.1038/s41586-024-07203-8