Un equipo internacional dirigido por investigadores de la Universidad de Princeton ha descubierto una nueva clase de imán que exhibe nuevos efectos cuánticos que se extienden a la temperatura ambiente.
Los investigadores descubrieron una fase topológica cuantificada en un imán prístino. Sus hallazgos proporcionan información sobre una teoría de hace 30 años sobre cómo los electrones cuantifican espontáneamente y demuestran un método de prueba de principio para descubrir nuevos imanes topológicos. Los imanes cuánticos son prometedoresplataformas para tecnologías verdes actuales sin disipación, alta capacidad de almacenamiento y futuras tecnologías verdes. El estudio fue publicado en la revista Naturaleza esta semana.
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. Esta fue la primera vez que una rama de las matemáticas teóricas, llamada topología, comenzaríapara cambiar fundamentalmente la forma en que describimos y clasificamos la materia que forma el mundo que nos rodea. Desde entonces, las fases topológicas se han estudiado intensamente en ciencia e ingeniería. Se han encontrado muchas clases nuevas de materiales cuánticos con estructuras electrónicas topológicas, incluidos los aislantes topológicos y Weylsemimetales. Sin embargo, aunque algunas de las ideas teóricas más interesantes requieren magnetismo, la mayoría de los materiales explorados no han sido magnéticos y no muestran cuantificación, lo que deja muchas posibilidades tentadoras sin cumplir.
"El descubrimiento de un material topológico magnético con comportamiento cuantificado es un gran paso adelante que podría abrir nuevos horizontes en el aprovechamiento de la topología cuántica para la futura física fundamental y la investigación de dispositivos de próxima generación", dijo M. Zahid Hasan, profesor de Física Eugene Higginsen la Universidad de Princeton, quien dirigió el equipo de investigación.
Mientras se realizaban rápidamente descubrimientos experimentales, la física teórica sobresalió en el desarrollo de ideas que conducían a nuevas mediciones. En 1988, F. Duncan Haldane, profesor de física matemática Thomas D. Jones, propuso importantes conceptos teóricos sobre aisladores topológicos 2D yProfesor de Física de la Universidad Sherman Fairchild en Princeton, quien en 2016 recibió el Premio Nobel de Física por sus descubrimientos teóricos de las transiciones de fase topológica y las fases topológicas de la materia. Los desarrollos teóricos posteriores mostraron que el magnetismo de alojamiento de aislante topológico en una disposición atómica especial conocida comoLa celosía de Kagome puede albergar algunos de los efectos cuánticos más extraños.
Hasan y su equipo han estado en una década de búsqueda de un estado cuántico magnético topológico que también pueda operar a temperatura ambiente desde que descubrieron los primeros ejemplos de aislantes topológicos tridimensionales. Recientemente, encontraron una solución de materiales a la conjetura de Haldaneen un imán de celosía de kagome que es capaz de operar a temperatura ambiente, que también exhibe la cuantificación tan deseada. "La celosía de kagome puede diseñarse para poseer cruces de banda relativistas e interacciones fuertes electrón-electrón. Ambos son esenciales para el magnetismo novedoso. Por lo tanto,nos dimos cuenta de que los imanes de kagome son un sistema prometedor en el que buscar fases de imanes topológicos, ya que son como los aislantes topológicos que estudiamos antes ", dijo Hasan.
Durante tanto tiempo, el material directo y la visualización experimental de este fenómeno ha sido difícil de alcanzar. El equipo descubrió que la mayoría de los imanes de kagome eran demasiado difíciles de sintetizar, el magnetismo no se entendía suficientemente bien, no había firmas experimentales decisivas de la topología o cuantificación.podrían observarse, o funcionan solo a temperaturas muy bajas.
"Un diseño de estructura magnética y química atómica adecuado junto con la teoría de los primeros principios es el paso crucial para hacer que la predicción especulativa de Duncan Haldane sea realista en un entorno de alta temperatura", dijo Hasan. "Hay cientos de imanes de kagome, y necesitamostanto intuición, experiencia, cálculos específicos de materiales y esfuerzos experimentales intensos para eventualmente encontrar el material adecuado para una exploración en profundidad. Y eso nos llevó a un viaje de una década ".
A través de varios años de intensa investigación sobre varias familias de imanes topológicos Nature 562, 91 2018; Nature Phys 15, 443 2019, Phys. Rev. Lett. 123, 196604 2019, Nature Commun. 11,559 2020, Phys. Rev.Lett.125, 046401 2020, el equipo se dio cuenta gradualmente de que un material hecho de los elementos terbio, magnesio y estaño TbMn6Sn6 tiene la estructura cristalina ideal con propiedades mecánicas cuánticas químicamente prístinas.y capas de celosía de kagome espacialmente segregadas. Además, presenta de manera única una fuerte magnetización fuera del plano. Con este imán de kagome ideal sintetizado con éxito a nivel de cristal único grande por colaboradores del grupo de Shuang Jia en la Universidad de Pekín, el grupo de Hasan comenzó un estado sistemáticomediciones de última generación para verificar si los cristales son topológicos y, lo que es más importante, presentan el estado magnético cuántico exótico deseado.
El equipo de investigadores de Princeton utilizó una técnica avanzada conocida como microscopía de túnel de barrido, que es capaz de sondear las funciones de onda electrónica y de giro de un material en la escala subatómica con una resolución de energía de submilivoltios. En estas condiciones de ajuste fino,los investigadores identificaron los átomos de la red magnética de kagome en el cristal, hallazgos que fueron confirmados por la espectroscopia de fotoemisión con resolución de ángulo de última generación con resolución de momento.
"La primera sorpresa fue que la red de kagome magnética en este material es súper limpia en nuestra microscopía de túnel de barrido", dijo Songtian Sonia Zhang, coautora del estudio que obtuvo su doctorado en Princeton a principios de este año."La visualización experimental de una red de kagome magnética libre de defectos ofrece una oportunidad sin precedentes para explorar sus propiedades cuánticas topológicas intrínsecas".
El verdadero momento mágico fue cuando los investigadores encendieron un campo magnético. Encontraron que los estados electrónicos de la red de kagome se modulan dramáticamente, formando niveles de energía cuantificados de una manera que es consistente con la topología de Dirac. Elevando gradualmente el campo magnético a9 Tesla, que es cientos de miles de veces más alto que el campo magnético de la tierra, cartografiaron sistemáticamente la cuantificación completa de este imán. "Es extremadamente raro - todavía no se ha encontrado uno - encontrar un sistema magnético topológicocon el diagrama cuantificado. Requiere un diseño de material magnético casi libre de defectos, una teoría ajustada y mediciones espectroscópicas de vanguardia ", dijo Nana Shumiya, estudiante graduada y coautora del estudio.
El diagrama cuantificado que midió el equipo proporciona información precisa que revela que la fase electrónica coincide con una variante del modelo Haldane. Confirma que el cristal presenta una dispersión de Dirac con polarización de espín con una gran brecha de Chern, como esperaba la teoría de topologíaimanes. Sin embargo, todavía faltaba una pieza del rompecabezas. "Si esto es realmente una brecha de Chern, entonces basándonos en el principio de límite de volumen topológico fundamental, deberíamos observar estados quirales tráfico unidireccional en el borde del cristal", Dijo Hasan.
La pieza final cayó en su lugar cuando los investigadores escanearon el límite o el borde del imán. Encontraron una firma clara de un estado de borde solo dentro de la brecha de energía de Chern. Propagándose a lo largo del lado del cristal sin dispersión aparente lo que revelasu carácter sin disipación, se confirmó que el estado era el estado de borde topológico quiral. La obtención de imágenes de este estado no tenía precedentes en ningún estudio anterior de imanes topológicos.
Los investigadores utilizaron además otras herramientas para verificar y reconfirmar sus hallazgos de los fermiones de Dirac con brecha de Chern, incluidas las mediciones de transporte eléctrico de la escala de Hall anómala, la espectroscopía de fotoemisión resuelta en ángulo de la dispersión de Dirac en el espacio de momento y los cálculos de los primeros principios delorden topológico en la familia de materiales. Los datos proporcionaron un espectro completo de evidencia interconectada, todas apuntando a la realización de una fase de Chern de límite cuántico en este imán de kagome. "Todas las piezas encajan en una demostración de libro de texto de la física de Chernfermiones de Dirac magnéticos con huecos ", dijo Tyler A. Cochran, estudiante de posgrado y coautor del estudio.
Ahora el enfoque teórico y experimental del grupo se está desplazando a las docenas de compuestos con estructuras similares a TbMn6Sn6 que albergan redes de kagome con una variedad de estructuras magnéticas, cada una con su topología cuántica individual. "Nuestra visualización experimental del límite cuántico ChernLa fase demuestra una metodología de prueba de principio para descubrir nuevos imanes topológicos ", dijo Jia-Xin Yin, investigador postdoctoral senior y otro co-primer autor del estudio.
"Esto es como descubrir agua en un exoplaneta: abre una nueva frontera en la investigación de materia cuántica topológica para la que nuestro laboratorio en Princeton ha sido optimizado", dijo Hasan.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Princeton . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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