La investigación fundamental en física de materia condensada ha impulsado enormes avances en las capacidades electrónicas modernas. Transistores, fibra óptica, LED, medios de almacenamiento magnético, pantallas de plasma, semiconductores, superconductores: la lista de tecnologías nacidas de la investigación fundamental en física de materia condensadaes asombroso. Los científicos que trabajan en este campo continúan explorando y descubriendo sorprendentes fenómenos novedosos que prometen los avances tecnológicos del mañana.
Una importante línea de investigación en este campo involucra la topología: un marco matemático para describir los estados de la superficie que permanecen estables incluso cuando el material se deforma por estiramiento o torsión. La estabilidad inherente de los estados de la superficie topológica tiene implicaciones para una variedad de aplicaciones enelectrónica y espintrónica.
Ahora, un equipo internacional de científicos ha descubierto una nueva forma exótica de estado topológico en una gran clase de cristales semimetálicos 3D llamados semimetales Dirac. Los investigadores desarrollaron una amplia maquinaria matemática para cerrar la brecha entre los modelos teóricos con formas de "mayor"-orden "topología topología que se manifiesta solo en el límite de un límite y el comportamiento físico de los electrones en materiales reales.
El equipo está formado por científicos de la Universidad de Princeton, incluidos el investigador postdoctoral Dr. Benjamin Wieder, el profesor de química Leslie Schoop y el profesor de física Andrei Bernevig; en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, el profesor de física Barry Bradlyn; en el Instituto de Física ChinaAcademia de Ciencias en Beijing, profesor de física Zhijun Wang; en la Universidad Estatal de Nueva York en Stony Brook, la profesora de física Jennifer Cano Cano también está afiliada al Instituto Flatiron de la Fundación Simons; y en la Universidad de Ciencia y Tecnología de Hong Kong, profesora de físicaXi Dai. Los resultados del equipo fueron publicados en la revista Comunicaciones de la naturaleza el 31 de enero de 2020.
Durante la última década, los fermiones de Dirac y Weyl se han predicho y confirmado experimentalmente en una serie de materiales en estado sólido, especialmente en el arseniuro de tantalio cristalino TaAs, el primer semimetal de fermión de Weyl topológico descubierto. Varios investigadores observaron que los TaAsexhibe estados de superficie topológica en 2D conocidos como "arcos de Fermi". Sin embargo, fenómenos similares observados en los semimetales de fermión de Dirac han eludido la comprensión, hasta ahora.
¿Qué es un arco de Fermi? En el contexto de los semimetales, es un estado de superficie que se comporta como la mitad de un metal bidimensional; la otra mitad se encuentra en una superficie diferente.
Bradlyn señala: "Esto no es algo que es posible en un sistema puramente 2D, y solo puede suceder en función de la naturaleza topológica de un cristal. En este trabajo, encontramos que los arcos de Fermi están confinados a las bisagras 1D enSemimetales de Dirac ". En trabajos anteriores, Dai, Bernevig y sus colegas demostraron experimentalmente que las superficies 2D de los semimetales de Weyl deben albergar arcos de Fermi, independientemente de los detalles de la superficie, como consecuencia topológica de los puntos de Weyl fermiones presentes en las profundidadesla mayor parte del cristal. Esto fue predicho teóricamente por Vishwanath, et al.
"Los semimetales Weyl tienen capas como las cebollas", señala Dai. "Es notable que puedas seguir pelando la superficie de los TaAs, pero los arcos siempre están ahí".
Los investigadores también han observado estados de superficie en forma de arco en semimetales de Dirac, pero los intentos de desarrollar una relación matemática similar entre dichos estados de superficie y fermiones de Dirac en la mayor parte del material no han tenido éxito: estaba claro que los estados de superficie de Dirac surgen de unmecanismo diferente, no relacionado, y se concluyó que los estados de la superficie de Dirac no estaban protegidos topológicamente.
En el estudio actual, los investigadores se sorprendieron al encontrar fermiones de Dirac que parecían exhibir estados de superficie protegidos topológicamente, lo que contradice esta conclusión. Trabajar en modelos de semimetales de Dirac derivados de aisladores de cuadrupolo topológicos: sistemas topológicos de orden superior recientemente descubiertos por Bernevigen colaboración con el profesor de física de Illinois Taylor Hughes, descubrieron que esta nueva clase de materiales exhibe estados electrónicos robustos y conductores en 1D, o dos dimensiones menos que los puntos Dirac 3D en masa.
Inicialmente confundidos por el mecanismo a través del cual aparecieron estos estados de "bisagra", los investigadores trabajaron para desarrollar un modelo extenso y exactamente solucionable para los estados ligados de cuadrupolos topológicos y semimetales Dirac. Los investigadores encontraron que, en los semimetales Dirac, los arcos de Fermi songenerado por un mecanismo diferente al de los arcos en los semimetales de Weyl.
"Además de resolver el problema de décadas de si los fermiones Dirac de materia condensada tienen estados de superficie topológicos", señala Wieder, "demostramos que los semimetales Dirac representan uno de los primeros materiales de estado sólido que albergan firmas de cuadrupolos topológicos".
Bradlyn agrega: "A diferencia de los semimetales Weyl, cuyos estados superficiales son primos de las superficies de los aislantes topológicos, hemos demostrado que los semimetales Dirac pueden albergar estados superficiales que son primos de los estados de las esquinas de los aisladores topológicos de orden superior".
Bradlyn describe la metodología del equipo: "Tomamos un enfoque triple para resolver las cosas. Primero, construimos algunos modelos de juguetes para sistemas que esperábamos que tuvieran estas propiedades, inspirados por el trabajo previo en sistemas topológicos de orden superior en 2D,y el uso de la teoría de grupos para imponer restricciones en tres dimensiones. Esto fue hecho principalmente por el Dr. Wieder, el Prof. Cano y yo.
"Segundo, el Dr. Wieder y yo llevamos a cabo un análisis teórico más abstracto de los sistemas en dos dimensiones, derivando las condiciones para las cuales se requiere que exhiban estados de bisagra, incluso fuera de los modelos de juguetes"
"En tercer lugar, realizamos un análisis de materiales conocidos, combinando la intuición química del profesor Leslie Schoop, nuestras restricciones de simetría y cálculos ab initio del profesor Zhijun Wang para mostrar que nuestros estados de arco de bisagra deberían ser visibles en materiales reales".
Cuando el polvo se asentó, el equipo descubrió que casi todos los semimetales de Dirac de materia condensada deberían exhibir estados de bisagra.
"Nuestro trabajo proporciona una firma físicamente observable de la naturaleza topológica de los fermiones de Dirac, que anteriormente era ambigua", señala Cano.
Bradlyn agrega: "Está claro que numerosos semimetales de Dirac previamente estudiados en realidad tienen estados límite topológicos, si uno mira en el lugar correcto".
A través de cálculos de primeros principios, los investigadores demostraron teóricamente la existencia de estados de bisagra pasados por alto en los bordes de semimetales Dirac conocidos, incluido el material prototípico, arseniuro de cadmio Cd3As2.
Bernevig comenta: "Con un equipo increíble que combina habilidades de física teórica, cálculos de primer principio y química, pudimos demostrar la conexión entre la topología de orden superior en dos dimensiones y los semimetales Dirac en tres dimensiones, por primera vez"
Los hallazgos del equipo tienen implicaciones para el desarrollo de nuevas tecnologías, incluso en espintrónica, porque los estados de bisagra se pueden convertir en estados de borde cuya dirección de propagación está vinculada a su giro, al igual que los estados de borde de un aislante topológico 2D. Además, nanorods de semimetales topológicos de orden superior podrían realizar superconductividad topológica en sus superficies cuando se aproximen con superconductores convencionales, lo que podría generar múltiples fermiones de Majorana, que se han propuesto como ingredientes para lograr el cálculo cuántico tolerante a fallas.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Facultad de Ingeniería de la Universidad de Illinois . Original escrito por Siv Schwink. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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