Durante la última década, el campo de la física de la materia condensada ha experimentado una edad de oro con el descubrimiento de nuevos materiales y propiedades, y las tecnologías relacionadas que se están desarrollando a una velocidad vertiginosa gracias a la llegada de la física topológica. La física topológica despegó en 2008 conEl descubrimiento del aislante topológico, un tipo de material que es eléctricamente aislante a granel pero metálico en la superficie.
Desde entonces, los científicos han encontrado fases topológicas más exóticas que incluyen semimetales Dirac, semimetales Weyl y aislantes axiónicos. Pero más recientemente, los materiales que son aislantes a granel, en superficies y bordes pero son metálicos solo en las bisagras o en las esquinas tienense ha predicho teóricamente. Estos nuevos materiales extraños llamados aislantes topológicos de orden superior son extremadamente raros y solo el elemento bismuto se ha probado experimentalmente que posiblemente pertenece a esta categoría hasta ahora.
¿Qué es un estado de bisagra de todos modos? Imagine una caja - más larga y más ancha que alta - con solapas en la parte superior e inferior que puede abrir para colocar cosas dentro. El espacio dentro de la caja se llamaría el bulto. La mayoría de los materiales quela electricidad conducida lo hace a granel. Sin embargo, en los aislantes topológicos, la mayor parte de la caja es eléctricamente aislante, pero la parte superior e inferior, las aletas, son metálicas y mantienen estados de superficie. Para algunos materiales, la masa, la parte superior yla parte inferior de la caja es aislante, pero los lados bordes son metálicos. Estos tienen estados de borde que se han demostrado en aisladores topológicos magnéticos. Finalmente, en aisladores topológicos de orden superior, el volumen, la parte superior, la parte inferior y los lados de la caja son todosaislante, pero las bisagras y las esquinas de la caja son metálicas y tienen estados de bisagra o esquina dispares. También se ha predicho que estos estados de bisagra existen en semimetales topológicos como el bismuto. Se espera que los estados de bisagra en particular sean prometedores para el estudio de espintronics porque la dirección de su propagación está ligada a su giro, así como a los fermiones de Majorana, que están siendo investigados activamente por sus aplicaciones a la computación cuántica tolerante a fallas.
Ahora, un equipo internacional de científicos de los Estados Unidos, Hong Kong, Alemania y Corea del Sur ha identificado un nuevo aislante topológico de orden superior. Es un dicholcogenuro de metal de transición bidimensional en capas TMDC llamado WTe2.Material famoso en la física de la materia condensada que muestra una variedad de propiedades exóticas, desde la magnetorresistencia titánica hasta el efecto cuantificado de la sala de espín. Fue el primer ejemplo de un semimetal Weyl tipo II que se puede convertir en dispositivos que tienen solo una capa de espesor y es exfoliablecomo el grafeno. WTe2 también ha demostrado superconducir bajo presión, lo que significa que los electrones forman pares y una supercorriente viaja a través de él sin ninguna resistencia.
Además de este carnaval de propiedades, los físicos teóricos en 2019 imaginaron que WTe2 y su material hermano MoTe2 serían aislantes topológicos de orden superior con estados de bisagra metálica. Muchos equipos de investigación en todo el mundo han buscado evidencia de estos estados exóticos en WTe2 yMoTe2 y algunos resultados recientes han demostrado que hay estados conductivos adicionales en sus bordes, pero los investigadores no pudieron identificar si estos eran realmente estados de borde o estados bisagras muy buscados.
En un estudio publicado en Materiales de la naturaleza el 6 de julio de 2020, el equipo dirigido por Kin Chung Fong Raytheon BBN Technologies, Mazhar N. Ali Instituto Max Plank de Física de Microestructura y también Material Mind Inc., Kam Tuen Law Universidad de Ciencias de Hong Kong yTecnología y Gil-Ho Lee Universidad de Ciencia y Tecnología de Pohang, y el Centro de Física Teórica de Asia y el Pacífico adoptaron un nuevo enfoque al usar las uniones de Josephson para resolver espacialmente el flujo de supercorriente y mostrar que WTe2 realmente parece tener una bisagraestados y ser un aislante topológico de orden superior Enlace al papel.
Las uniones Josephson son un dispositivo y una herramienta increíblemente importantes en física. Se utilizan en una variedad de aplicaciones tecnológicas, incluidas las máquinas de resonancia magnética MRI, así como en qubits, que son bloques de construcción de computadoras cuánticas. Estas uniones se forman cuandodos electrodos superconductores como el niobio Nb están conectados por un puente no superconductor como un WTe2 de alta calidad en un dispositivo de película delgada. Cuando la temperatura se reduce lo suficiente, la supercorriente que se inyecta desde un electrodo Nb puede viajar a través del puente sinresistencia al otro electrodo de Nb. Por lo tanto, el dispositivo en general muestra resistencia cero y se dice que es superconductor.
Sin embargo, no se puede enviar una cantidad infinita de supercorriente a través del puente mientras se retiene la superconductividad. Cuando la corriente inyectada excede una corriente crítica, la unión se convierte en un estado normal y exhibe resistencia finita. El efecto Josephson establece que en función de laaplicado el campo magnético, la corriente crítica oscilará en un patrón de Fraunhofer entre valores altos y bajos debido a la fase cambiante de la función de onda superconductora a través de la muestra.
El equipo se dio cuenta de que oculta en esta oscilación está la información de ubicación de la supercorriente mientras viaja en la muestra. Al tomar una transformada inversa de Fourier del patrón de Fraunhofer, los investigadores pudieron visualizar el flujo de supercorriente en la muestra y descubrieron quede hecho, viaja a los lados del dispositivo WTe2. Sin embargo, esto no fue suficiente para distinguir los estados de borde de los estados de bisagra.
Como se muestra en la figura a continuación, debido a una peculiaridad en el origen basado en la simetría de los estados de las bisagras, no todas las bisagras son idénticas en la muestra WTe2. Por ejemplo, hay bisagras metálicas en las bisagras superior izquierda e inferior derecha enla muestra pero no en la parte superior derecha o inferior izquierda. Esto es diferente de un estado de borde, que simplemente existiría en la totalidad de los lados izquierdo y derecho de la muestra. En relación con esto, Kin Chung Fong de Raytheon BBN Technologies explica:"Utilizamos esta diferencia para nuestra ventaja. Al conectar electrodos superconductores solo en la mitad superior de la muestra y no en la mitad inferior, nos dimos cuenta de que veríamos un patrón de Fraunhofer diferente si existieran estados de bisagra y no estados de borde"."En esta configuración, los electrodos se conectarían a solo uno de los estados de las bisagras es decir, arriba a la izquierda y no abajo a la derecha, lo que mostraría un patrón de Fraunhofer distinto. Si hubiera estados de borde, esta configuración no sería diferente a la conexióntanto en las mitades inferiores como superiores de la muestra y el Fraunhofer se vería igual ". Cuando llevaron a cabo este desafiante experimento, observaron el sello distintivo del estado de la bisagra, no el estado del borde".
"Pero eso no es todo. WTe2 es un material ortorrómbico de bastante baja simetría con alta anisotropía cristalina. Las diferentes direcciones en el cristal no son equivalentes y también teorizamos y confirmamos que los estados de bisagra existentes en WTe2 no son todos equivalentes tampoco. En algunas direcciones, se mezclan a granel mientras que en otras direcciones no lo hacen ", explicó Kam Tuen Law de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Hong Kong.
"Hay una variedad de física emocionante para explorar en estos compuestos en el futuro cercano ahora que se han encontrado estados bisagras en WTe2", comentó Gil Ho Lee, de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Pohang. Añadió: "La posibilidad deinterconexiones sin disipación, verdaderos nanocables superconductores 1D y dispositivos espintrónicos, superconductividad topológica, fermiones Majorana y las correspondientes computadoras cuánticas topológicas están en el horizonte ".
Mazhar N. Ali en el Instituto Max Plank de Física de Microestructura explicó: "WTe2 puede ser el segundo material que se muestra que alberga estados de bisagra, pero es muy diferente del otro candidato, el bismuto. Siendo 2D, WTe2 es fácilmente fabricable en nano-dispositivos con superficies controladas, y se pueden colocar en capas sobre otros materiales 2D en heteroestructuras e incluso encima de sí mismos cuando se tuercen ligeramente para formar una superredes Moire ". Añadió:" Se espera que su material hermano MoTe2 exhiba los mismos estados de bisagrapero es un superconductor intrínseco a bajas temperaturas ". Preguntó entusiasmado:" ¿Cómo pueden modificarse, controlarse y utilizarse estos estados de bisagra? Hay muchas oportunidades interesantes de investigación por delante ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Ciencia y Tecnología de Pohang POSTECH . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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