Por primera vez, los físicos han observado nuevos efectos cuánticos en un aislador topológico a temperatura ambiente. Este avance, publicado como artículo de portada de la edición de octubre de Nature Materials, se produjo cuando los científicos de Princeton exploraron un material topológico basado en el elemento bismuto.
Los científicos han utilizado aisladores topológicos para demostrar los efectos cuánticos durante más de una década, pero este experimento es la primera vez que se observan estos efectos a temperatura ambiente. Por lo general, inducir y observar estados cuánticos en aisladores topológicos requiere temperaturas alrededor del cero absoluto, lo que equivale a -273°C.
Este hallazgo abre una nueva gama de posibilidades para el desarrollo de tecnologías cuánticas eficientes, como la electrónica basada en espín, que potencialmente puede reemplazar muchos sistemas electrónicos actuales para una mayor eficiencia energética. En los últimos años, el estudio de los estados topológicos de la materia ha atraído una atención considerable 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 las propiedades geométricas que se pueden deformar pero no cambiar intrínsecamente.
“Las 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 ingeniería cuántica y las nanotecnologías de próxima generación”, dijo M. Zahid Hasan, profesor del Eugene Higgins de Física en la Universidad de Princeton, quien dirigió la investigación.
“Este trabajo fue posible gracias a múltiples avances experimentales innovadores en nuestro laboratorio en Princeton”, agregó Hasan.
El principal componente del dispositivo utilizado para investigar los misterios de la topología cuántica se denomina aislador topológico. Este es un dispositivo único que actúa como aislante en su interior, lo que significa que los electrones en su interior no tienen libertad de movimiento y por lo tanto no conducen la 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 dispositivo tiene el potencial no solo de mejorar la tecnología sino también de generar una mayor comprensión de la materia misma al probar las propiedades electrónicas cuánticas.
Sin embargo, hasta ahora ha habido un obstáculo importante en la búsqueda de utilizar los materiales y dispositivos para aplicaciones en dispositivos funcionales. “Hay mucho interés en los materiales topológicos y la gente a menudo habla de su gran potencial para aplicaciones prácticas”, dijo Hasan, “pero hasta que algún efecto topológico cuántico macroscópico pueda manifestarse a temperatura ambiente, es probable que estas aplicaciones no se realicen”.
Esto se debe a que las temperaturas ambientales o altas crean lo que los físicos llaman “ruido térmico”, que se define como un aumento de temperatura tal que los átomos comienzan a vibrar violentamente. Esta acción puede alterar los delicados sistemas cuánticos, colapsando así el estado cuántico. En aisladores topológicos, en particular, estas temperaturas más altas crean una situación en la que los electrones en la superficie del aislador invaden el interior, o “a granel”, del aislador, y hacen que los electrones allí también comiencen a conducir, lo que diluye o rompe el efecto cuántico especial.
La forma de evitar esto es someter tales experimentos a temperaturas excepcionalmente frías, típicamente en o cerca del cero absoluto. A estas temperaturas increíblemente bajas, las partículas atómicas y subatómicas dejan de vibrar y, en consecuencia, son más fáciles de manipular. Sin embargo, crear y mantener un entorno ultrafrío no es práctico para muchas aplicaciones; es costoso, voluminoso y consume una cantidad considerable de energía.
Pero Hasan y su equipo han desarrollado una forma innovadora de evitar este problema. Basándose en su experiencia con materiales topológicos y trabajando con muchos colaboradores, fabricaron un nuevo tipo de aislante topológico hecho de bromuro de bismuto (fórmula química α-Bi4Br4), que es un compuesto cristalino inorgánico que a veces se usa para el tratamiento del agua y análisis químicos.
“Es fantástico que los hayamos encontrado sin una presión gigante o un campo magnético ultraalto, lo que hace que los materiales sean más accesibles para desarrollar tecnología cuántica de próxima generación”, dijo Nana Shumiya, quien obtuvo su Ph.D. en Princeton, es investigador asociado postdoctoral en ingeniería eléctrica e informática, y es uno de los tres coautores del artículo.
Añadió: “Creo que nuestro descubrimiento hará avanzar significativamente la frontera cuántica”.
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, las fases topológicas se han estudiado intensamente. Se han encontrado muchas clases nuevas de materiales cuánticos con estructuras electrónicas topológicas, incluidos aisladores topológicos, superconductores topológicos, imanes topológicos y semimetales de Weyl.
Mientras se hacían rápidamente descubrimientos experimentales, también progresaban los descubrimientos teóricos. Conceptos teóricos importantes sobre aisladores topológicos bidimensionales (2D) fueron presentados en 1988 por F. Duncan Haldane, profesor de física de la Universidad Sherman Fairchild en Princeton.
Fue galardonado con el Premio Nobel de Física en 2016 por los descubrimientos teóricos de las transiciones de fase topológicas y un tipo de aisladores topológicos 2D. Los desarrollos teóricos posteriores demostraron que los aisladores topológicos pueden tomar la forma de dos copias del modelo de Haldane basado en la interacción espín-órbita del electrón.
Hasan y su equipo han estado en una búsqueda de una década de un estado cuántico topológico que también pueda operar a temperatura ambiente, luego de su descubrimiento de los primeros ejemplos de aisladores topológicos tridimensionales en 2007. Recientemente, encontraron una solución de materiales para la conjetura de Haldane en un imán de red de kagome que es capaz de operar a temperatura ambiente, que también exhibe la cuantización deseada.
“Los aisladores topológicos de celosía de Kagome pueden diseñarse para poseer cruces de bandas relativistas y fuertes interacciones electrón-electrón. Ambos son esenciales para el nuevo magnetismo”, dijo Hasan. “Por lo tanto, nos dimos cuenta de que los imanes de Kagome son un sistema prometedor para buscar fases de imanes topológicos, ya que son como los aisladores topológicos que descubrimos y estudiamos hace más de diez años”.
“Un diseño de estructura y química atómica adecuado junto con la teoría de los primeros principios es el paso crucial para hacer que la predicción especulativa del aislador topológico sea realista en un entorno de alta temperatura”, dijo Hasan. “Hay cientos de materiales topológicos, y necesitamos intuición, experiencia, cálculos específicos de materiales y esfuerzos experimentales intensos para finalmente encontrar el material adecuado para una exploración en profundidad. Y eso nos llevó a un viaje de una década de investigación de muchos materiales a base de bismuto”.
Los aisladores, como los semiconductores, tienen lo que se llama espacios de aislamiento o de banda. Estas son, en esencia, “barreras” entre electrones en órbita, una especie de “tierra de nadie” donde los electrones no pueden pasar. Estos intervalos de banda son extremadamente importantes porque, entre otras cosas, proporcionan el eje para superar la limitación de alcanzar un estado cuántico impuesto por el ruido térmico.
Hacen esto si el ancho de la brecha de banda excede el ancho del ruido térmico. Pero una brecha de banda demasiado grande puede alterar potencialmente el acoplamiento espín-órbita de los electrones: esta es la interacción entre el espín del electrón y su movimiento orbital alrededor del núcleo. Cuando ocurre esta interrupción, el estado cuántico topológico colapsa. Por lo tanto, el truco para inducir y mantener un efecto cuántico es encontrar un equilibrio entre una gran brecha de banda y los efectos de acoplamiento espín-órbita.
Siguiendo una propuesta de los colaboradores y coautores Fan Zhang y Yugui Yao para explorar un tipo de metales Weyl, Hasan y su equipo estudiaron la familia de materiales de bromuro de bismuto. Pero el equipo no pudo observar los fenómenos de Weyl en estos materiales. En cambio, Hasan y su equipo descubrieron que el aislante de bromuro de bismuto tiene propiedades que lo hacen más ideal en comparación con un aislante topológico basado en bismuto y antimonio (aleaciones de Bi-Sb) que habían estudiado antes.
Tiene una gran brecha de aislamiento de más de 200 meV (“milielectronvoltios”). Esto es lo suficientemente grande para superar el ruido térmico, pero lo suficientemente pequeño para que no interrumpa el efecto de acoplamiento espín-órbita y la topología de inversión de banda.
“En este caso, en nuestros experimentos, encontramos un equilibrio entre los efectos de acoplamiento espín-órbita y un gran ancho de banda prohibida”, dijo Hasan. “Descubrimos que existe un ‘punto ideal’ en el que se puede tener un acoplamiento de giro-órbita relativamente grande para crear un giro topológico y aumentar la brecha de banda sin destruirla. Es como un punto de equilibrio para los materiales basados en bismuto que Hemos estado estudiando durante mucho tiempo”.
Los investigadores supieron que habían logrado su objetivo cuando vieron lo que sucedía en el experimento a través de un microscopio de túnel de barrido de resolución subatómica, un dispositivo único que utiliza una propiedad conocida como “tunelización cuántica”, donde los electrones se canalizan entre las partículas metálicas afiladas, puntas de un solo átomo del microscopio y la muestra.
El microscopio utiliza esta corriente de efecto túnel en lugar de la luz para ver el mundo de los electrones a escala atómica. Los investigadores observaron un claro estado de borde de Hall de espín cuántico, que es una de las propiedades importantes que existen únicamente en los sistemas topológicos. Esto requirió instrumentación novedosa adicional para aislar de manera única el efecto topológico.
“Por primera vez, demostramos que hay una clase de materiales topológicos basados en bismuto cuya topología sobrevive hasta la temperatura ambiente”, dijo Hasan. “Confiamos mucho en nuestro resultado”.
Este hallazgo es la culminación de muchos años de trabajo experimental ganado con esfuerzo y requirió la introducción de nuevas ideas de instrumentación adicionales en los experimentos. Hasan ha sido un investigador líder en el campo de materiales topológicos cuánticos experimentales con metodologías de experimentación novedosas durante más de 15 años y, de hecho, fue uno de los primeros investigadores pioneros en el campo.
Entre 2005 y 2007, por ejemplo, él y su equipo de investigadores descubrieron el orden topológico en un sólido a granel tridimensional de bismuto-antimonio, una aleación semiconductora y materiales Dirac topológicos relacionados utilizando métodos experimentales novedosos. Esto condujo al descubrimiento de materiales magnéticos topológicos. Entre 2014 y 2015, descubrieron una nueva clase de materiales topológicos llamados semimetales de Weyl magnéticos. Los investigadores creen que este avance abrirá la puerta a una gran cantidad de futuras posibilidades de investigación y aplicaciones en tecnologías cuánticas.
“Creemos que este hallazgo puede ser el punto de partida del desarrollo futuro de la nanotecnología”, dijo Shafayat Hossain, investigador asociado postdoctoral en el laboratorio de Hasan y otro coautor del estudio. “Ha habido tantas posibilidades propuestas en tecnología topológica que esperan, y encontrar materiales apropiados junto con instrumentación novedosa es una de las claves para esto”.
Un área de investigación en la que Hasan y su equipo creen que este avance tendrá un impacto particular es en las tecnologías cuánticas de próxima generación. Los investigadores creen que este nuevo avance acelerará el desarrollo de materiales cuánticos más eficientes y “más ecológicos”. Actualmente, el enfoque teórico y experimental del grupo se concentra en dos direcciones, dijo Hasan.
En primer lugar, los investigadores quieren determinar qué otros materiales topológicos podrían funcionar a temperatura ambiente y, lo que es más importante, proporcionar a otros científicos las herramientas y los métodos de instrumentación novedosos para identificar materiales que funcionarán a temperatura ambiente y alta. En segundo lugar, los investigadores quieren seguir profundizando en el mundo cuántico ahora que este hallazgo ha hecho posible realizar experimentos a temperaturas más altas.
Estos estudios requerirán el desarrollo de otro conjunto de nuevos instrumentos y técnicas para aprovechar al máximo el enorme potencial de estos materiales. “Veo una gran oportunidad para una mayor exploración en profundidad de fenómenos cuánticos exóticos y complejos con nuestra nueva instrumentación, rastreando detalles más finos en estados cuánticos macroscópicos”, dijo Hasan. “¿Quién sabe lo que vamos a descubrir?”
“Nuestra investigación es un verdadero paso adelante en la demostración del potencial de los materiales topológicos para aplicaciones de ahorro de energía”, agregó Hasan. “Lo que hemos hecho aquí con este experimento es plantar una semilla para animar a otros científicos e ingenieros a soñar en grande”.
Fuente: Phys.org.
