Un equipo internacional de investigadores ha predicho la existencia de varios tipos de partículas cuánticas previamente desconocidas en los materiales. Las partículas, que pertenecen a la clase de partículas conocidas como fermiones, se pueden distinguir por varias propiedades intrínsecas, como sus respuestasa campos magnéticos y eléctricos aplicados. En varios casos, los fermiones en el interior del material muestran su presencia en la superficie a través de la aparición de estados de electrones llamados arcos de Fermi, que vinculan los diferentes tipos de estados de fermiones en la masa del material.
La investigación, publicada en línea esta semana en la revista ciencia , fue realizado por un equipo de la Universidad de Princeton en colaboración con investigadores del Centro Internacional de Física de Donostia DIPC en España y el Instituto Max Planck de Física Química de Sólidos en Alemania. Los investigadores proponen que muchos de los materiales que albergan el nuevoLos tipos de fermiones son "metales protegidos", que son metales que no permiten que, en la mayoría de las circunstancias, se desarrolle un estado aislante. Esta investigación representa la vía más nueva en la física de los "materiales topológicos", un área de la ciencia que ya tiene fundamentalmentecambió la forma en que los investigadores ven e interpretan los estados de la materia.
El equipo de Princeton incluía a Barry Bradlyn y Jennifer Cano, ambos investigadores asociados en el Centro Princeton de Ciencia Teórica; Zhijun Wang, investigador asociado postdoctoral en el Departamento de Física, Robert Cava, el Profesor de Química Russell Wellman Moore; yB. Andrei Bernevig, profesor asociado de física. El equipo de investigación también incluyó a Maia Vergniory, investigadora postdoctoral en DIPC, y Claudia Felser, profesora de física y química y directora del Instituto Max Planck de Física Química de Sólidos.
Durante el siglo pasado, se pensaba que los fermiones sin espacios, que son partículas cuánticas sin espacio de energía entre sus estados más altos y los más bajos sin llenar, vienen en tres variedades: Dirac, Majorana y Weyl. Física de la materia condensada, que es pionera en el estudio deLas fases cuánticas de la materia se han convertido en un terreno fértil para el descubrimiento de estos fermiones en diferentes materiales a través de experimentos realizados en cristales. Estos experimentos permiten a los investigadores explorar partículas exóticas utilizando equipos de laboratorio relativamente económicos en lugar de aceleradores de partículas grandes.
En los últimos cuatro años, las tres variedades de fermiones sin espacios han sido teóricamente predichas y observadas experimentalmente en diferentes tipos de materiales cristalinos cultivados en laboratorios de todo el mundo. Se pensaba que el fermión Weyl era el último del grupo de cuasipartículas predichas en la naturalezaLa investigación publicada a principios de este año en la revista Nature Wang et al., Doi: 10.1038 / nature17410 ha demostrado, sin embargo, que este no es el caso, con el descubrimiento de un aislante a granel que alberga un exótico fermión de superficie.
En el documento actual, el equipo predijo y clasificó los posibles fermiones exóticos que pueden aparecer en la mayor parte de los materiales. La energía de estos fermiones se puede caracterizar como una función de su impulso en las llamadas bandas de energía o ramas.los fermiones Weyl y Dirac, que, en términos generales, exhiben un espectro de energía con ramas de estados de energía permitidos de 2 y 4 veces, los nuevos fermiones pueden exhibir ramas de 3, 6 y 8 veces., o ramas de 8 veces se encuentran en puntos, llamados puntos de degeneración, en la zona de Brillouin, que es el espacio de parámetros donde el momento del fermión toma sus valores.
"Las simetrías son esenciales para mantener los fermiones bien definidos, así como para descubrir sus propiedades físicas", dijo Bradlyn. "Localmente, al inspeccionar la física cerca de los puntos de degeneración, uno puede pensar en ellas como partículas nuevas, peroesto es solo una parte de la historia ", dijo.
Cano agregó: "Los nuevos fermiones conocen la topología global del material. Crucialmente, se conectan a otros puntos en la zona de Brillouin de manera no trivial".
Durante la búsqueda de materiales que exhiben los nuevos fermiones, el equipo descubrió una forma fundamentalmente nueva y sistemática de encontrar metales en la naturaleza. Hasta ahora, la búsqueda de metales implicaba realizar cálculos detallados de los estados electrónicos de la materia.
"La presencia de los nuevos fermiones permite una forma mucho más fácil de determinar si un sistema dado es un metal protegido o no, en algunos casos sin la necesidad de hacer un cálculo detallado", dijo Wang.
Verginory agregó: "Uno puede contar la cantidad de electrones de un cristal y calcular, basándose en la simetría, si existe un nuevo fermión dentro del rango observable"
Los investigadores sugieren que esto se debe a que los nuevos fermiones requieren múltiples estados electrónicos para encontrarse en energía: el fermión de 8 ramas requiere la presencia de 8 estados electrónicos. Como tal, un sistema con solo 4 electrones solo puede ocupar la mitad de esos estadosy no puede ser aislante, creando así un metal protegido.
"La interacción entre la simetría, la topología y la ciencia de los materiales insinuada por la presencia de los nuevos fermiones probablemente jugará un papel más fundamental en nuestra comprensión futura de los materiales topológicos, tanto semimetales como aislantes", dijo Cava.
Felser agregó: "Todos imaginamos un futuro para la química física cuántica en el que uno puede escribir la fórmula de un material, mirar tanto las simetrías de la red cristalina como las orbitales de valencia de cada elemento y, sin un cálculo,saber si el material es un aislante topológico o un metal protegido "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Princeton . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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