Descubiertos hace solo cinco años, los semimetales topológicos son materiales con propiedades físicas inusuales que podrían hacerlos útiles para la electrónica futura.
en el último número de Física de la naturaleza , los investigadores del MIT informan una nueva caracterización teórica de las propiedades eléctricas de los semimetales topológicos que describe con precisión todos los semimetales topológicos conocidos y predice varios nuevos.
Guiados por su modelo, los investigadores también describen la fórmula química y la estructura cristalina de un nuevo semimetal topológico que, según ellos, debería exhibir características eléctricas nunca antes vistas.
"En general, las propiedades de un material son sensibles a muchas perturbaciones externas", dice Liang Fu, profesor asistente de física en el MIT y autor principal del nuevo artículo. "Lo especial de estos materiales topológicos es que tienen algunos muy robustospropiedades que son insensibles a estas perturbaciones. Eso es atractivo porque hace que la teoría sea muy poderosa en la predicción de materiales, lo cual es raro en la física de la materia condensada. Aquí, sabemos cómo destilar o extraer las propiedades más esenciales, estas propiedades topológicas, por lo que nuestros métodospuede ser aproximado, pero nuestros resultados serán exactos "
Los semimetales son algo así como semiconductores, que están en el núcleo de toda la electrónica moderna. Los electrones en un semiconductor pueden estar en la "banda de valencia", en la que están unidos a átomos particulares, o en la "banda de conducción", enque son libres de fluir a través del material como una corriente eléctrica. Cambiar entre estados conductores y no conductores es lo que permite a los semiconductores instanciar la lógica del cálculo binario.
Golpear un electrón desde la banda de valencia hacia la banda de conducción requiere energía, y el diferencial de energía entre las dos bandas se conoce como "intervalo de banda". En un semimetal, como las láminas de carbono muy estudiadas conocidas como grafeno,- la brecha de banda es cero. En principio, eso significa que los transistores semimetálicos podrían cambiar más rápido, a potencias más bajas, que los transistores semiconductores.
Gráficos de estacionamiento-garaje
El término "topológico" es un poco más oblicuo. La topología es una rama de las matemáticas que trata la geometría en un alto nivel de abstracción. Topológicamente, cualquier objeto con un agujero en él: una taza de café, una rosquilla, una manguera de jardín- es equivalente a cualquier otro. Pero ninguna cantidad de deformación puede convertir una rosquilla en un objeto con dos agujeros, o ninguno, por lo que los objetos de dos agujeros y sin agujeros constituyen sus propias clases topológicas.
En un semimetal topológico, "topológico" no describe la geometría del material en sí; describe el gráfico de la relación entre la energía y el momento de los electrones en la superficie del material. Las perturbaciones físicas del material pueden deformar ese gráfico, en el mismo sentido que una rosquilla puede deformarse en una manguera de jardín, pero las propiedades eléctricas del material seguirán siendo las mismas. Eso es lo que Fu quiere decir cuando dice: "Nuestros métodos pueden ser aproximados, pero nuestros resultados serán exactos".
Fu y sus colegas, los primeros autores conjuntos Chen Fang y Ling Lu, ambos postdoctorados del MIT y ahora son profesores asociados en el Instituto de Física de Beijing; y Junwei Liu, un postdoctorado en el Centro de Procesamiento de Materiales del MIT, mostraronque las relaciones momento-energía de los electrones en la superficie de un semimetal topológico se pueden describir utilizando construcciones matemáticas llamadas superficies de Riemann.
Ampliamente utilizado en la rama de las matemáticas conocida como análisis complejo, que trata con funciones que involucran la raíz cuadrada de -1, o i, las superficies de Riemann son gráficos que tienden a verse como planos planos torcidos en espirales.
"Lo que hace que una superficie de Riemann sea especial es que es como un gráfico de estacionamiento", dice Fu. "En un garaje de estacionamiento, si da la vuelta en círculo, termina un piso arriba o un piso abajo. Esto esexactamente lo que sucede para los estados superficiales de los semimetales topológicos. Si te mueves en el espacio de momento, descubres que la energía aumenta, por lo que existe este devanado ".
Los investigadores demostraron que cierta clase de superficies de Riemann describía con precisión la relación momento-energía en semimetales topológicos conocidos. Pero la clase también incluía superficies que correspondían a características eléctricas no vistas previamente en la naturaleza.
secciones transversales
El gráfico de momento-energía de los electrones en la superficie de un semimetal topológico es tridimensional: dos dimensiones para el momento, una dimensión para la energía. Si toma una sección transversal bidimensional del gráfico, equivalente a mantener la energía constante- obtienes todos los momentos posibles que los electrones pueden tener a esa energía. La gráfica de esos momentos consiste en curvas, conocidas como arcos de Fermi.
El modelo de los investigadores predijo semimetales topológicos en los que los extremos de dos arcos de Fermi se unirían en ángulo o se cruzarían de una manera que no se había visto previamente. Mediante una combinación de intuición y simulación, Fang y Liu identificaron un material:una combinación de estroncio, indio, calcio y oxígeno, que, según su teoría, debería exhibir arcos de Fermi tan exóticos.
Lo que utiliza, si es que tiene alguno, estos arcos de Fermi no está claro. Pero los semimetales topográficos tienen propiedades eléctricas tan tentadoras que vale la pena entenderlas mejor.
Sin embargo, del nuevo trabajo de su grupo, Fu reconoce que para él, "el atractivo es su belleza matemática, y el hecho de que esta belleza matemática se puede encontrar en materiales reales".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Original escrito por Larry Hardesty. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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