Un equipo internacional de investigadores dirigido por científicos de la Universidad de Princeton descubrió que un material magnético a temperatura ambiente permite que los electrones se comporten de manera contraria a la intuición, actuando colectivamente en lugar de como individuos. Su comportamiento colectivo imita partículas sin masa y antipartículas que coexisten de manera inesperadaforma y juntos forman una estructura exótica en forma de bucle.
La clave de este comportamiento es la topología, una rama de las matemáticas que ya se sabe que juega un papel poderoso en dictar el comportamiento de los electrones en los cristales. Los materiales topológicos pueden contener partículas sin masa en forma de luz o fotones.cristal topológico, los electrones a menudo se comportan como luz ralentizada pero, a diferencia de la luz, llevan carga eléctrica.
La topología rara vez se ha observado en materiales magnéticos, y el hallazgo de un material topológico magnético a temperatura ambiente es un paso adelante que podría desbloquear nuevos enfoques para aprovechar los materiales topológicos para futuras aplicaciones tecnológicas.
"Antes de este trabajo, la evidencia de las propiedades topológicas de los imanes en tres dimensiones no era concluyente. Estos nuevos resultados nos dan evidencia directa y decisiva de este fenómeno a nivel microscópico", dijo M. Zahid Hasan, profesor de física de Eugene Higginsen Princeton, quien dirigió la investigación: "Este trabajo abre un nuevo continente para la exploración en imanes topológicos".
Hasan y su equipo pasaron más de una década estudiando materiales candidatos en la búsqueda de un estado cuántico magnético topológico.
"La física de los imanes a granel se ha entendido durante muchas décadas. Una pregunta natural para nosotros es: ¿pueden las propiedades magnéticas y topológicas juntas producir algo nuevo en tres dimensiones?", Dijo Hasan.
Los investigadores descubrieron que existen miles de materiales magnéticos, pero la mayoría no tenía las propiedades correctas. Los imanes eran demasiado difíciles de sintetizar, el magnetismo no se entendía suficientemente bien, la estructura magnética era demasiado complicada para modelar teóricamente o no era decisivase pudieron observar firmas experimentales de la topología.
Luego llegó un punto de infortunio.
"Después de estudiar muchos materiales magnéticos, realizamos una medición en una clase de imanes a temperatura ambiente e inesperadamente vimos firmas de electrones sin masa", dijo Ilya Belopolski, investigador postdoctoral en el laboratorio de Hasan y coautor del estudio ".Eso nos puso en el camino hacia el descubrimiento de la primera fase magnética topológica tridimensional ".
El exótico cristal magnético consiste en cobalto, manganeso y galio, dispuestos en un patrón tridimensional ordenado y repetitivo. Para explorar el estado topológico del material, los investigadores utilizaron una técnica llamada espectroscopía de fotoemisión de ángulo resuelto. En este experimento,la luz de intensidad brilla en la muestra, lo que obliga a los electrones a emitir desde la superficie. Estos electrones emitidos se pueden medir, proporcionando información sobre el comportamiento de los electrones cuando estaban dentro del cristal.
"Es una técnica experimental extremadamente poderosa, que en este caso nos permitió observar directamente que los electrones en este imán se comportan como si no tuvieran masa. Estos electrones sin masa se conocen como fermiones de Weyl", dijo Daniel Sánchez, investigador visitante de Princeton.y estudiante de doctorado en la Universidad de Copenhague, y otro coprimer autor del estudio.
Una idea clave se produjo cuando los investigadores estudiaron los fermiones de Weyl más de cerca y se dieron cuenta de que el imán albergaba una serie infinita de electrones sin masa distintos que toma la forma de un bucle, con algunos electrones que imitan las propiedades de las partículas y algunos antipartículas.Este comportamiento cuántico colectivo de los electrones se ha denominado un bucle de fermión Weyl topológico magnético.
"Realmente es un sistema exótico y novedoso", dijo Guoqing Chang, investigador postdoctoral en el grupo de Hasan y coautor principal del estudio. "El comportamiento colectivo de los electrones en estas partículas es diferente a todo lo que nos resulta familiar en nuestra experiencia cotidiana- o incluso en la experiencia de físicos de partículas que estudian partículas subatómicas. Aquí estamos tratando con partículas emergentes que obedecen a diferentes leyes de la naturaleza ".
Resulta que un factor clave de estas propiedades es una cantidad matemática que describe la serie infinita de electrones sin masa. Los investigadores pudieron precisar el papel de la topología al observar cambios sutiles en la diferencia del comportamiento de los electrones que viven enla superficie de la muestra y más profundo en su interior. La técnica para demostrar cantidades topológicas a través de los contrastes de las propiedades de superficie y volumen fue pionera por el grupo de Hasan y se utilizó para detectar fermiones de Weyl, un hallazgo publicado en 2015. El equipo recientemente utilizó un enfoque análogopara descubrir un cristal quiral topológico, trabajo publicado en la revista Nature a principios de este año que también fue dirigido por el grupo de Hasan en Princeton e incluyó a Daniel Sánchez, Guoqing Chang e Ilya Belopolski como autores principales.
predicciones teóricas
La relación entre la topología y las partículas del bucle cuántico magnético se exploró en las predicciones teóricas del grupo Hasan publicadas en octubre de 2017 en Physical Review Letters. Sin embargo, el interés teórico del grupo en los imanes topológicos se remonta mucho antes a las predicciones teóricas publicadas en Nature Materials en2010. Estos trabajos teóricos del grupo de Hasan fueron financiados por la oficina de Ciencias Energéticas Básicas del Departamento de Energía de EE. UU.
"Este trabajo representa la culminación de aproximadamente una década de búsqueda de realizar una fase cuántica magnética topológica en tres dimensiones", dijo Hasan.
En 2016, Duncan Haldane, profesor de física de la Universidad Sherman Fairchild de Princeton, ganó el Premio Nobel de Física por sus teorías que predicen las propiedades de los materiales topológicos unidimensionales y bidimensionales.
Un aspecto importante del resultado es que el material retiene su magnetismo hasta 400 grados Celsius, muy por encima de la temperatura ambiente, satisfaciendo un requisito clave para aplicaciones tecnológicas del mundo real.
"Antes de nuestro trabajo, las propiedades magnéticas topológicas se observaban típicamente cuando las películas delgadas de materiales estaban extremadamente frías, una fracción de un grado por encima del cero absoluto, lo que requería equipos especializados simplemente para alcanzar las temperaturas necesarias. Incluso una pequeña cantidad de calordesestabilizaría térmicamente el estado magnético topológico ", dijo Hasan." El imán cuántico estudiado aquí exhibe propiedades topológicas a temperatura ambiente ".
Un imán topológico en tres dimensiones revela sus firmas más exóticas solo en su superficie: las funciones de onda de electrones toman la forma de parches. Esto no tiene precedentes en imanes conocidos previamente y constituyen la firma reveladora de un imán topológico. Los investigadores observaron tal parche de tambor-formó estados electrónicos en sus datos, proporcionando la evidencia decisiva crucial de que es un estado novedoso de la materia.
Patrick Lee, profesor de física de William y Emma Rogers en el Instituto de Tecnología de Massachusetts, que no participó en el estudio, comentó sobre la importancia del hallazgo. "El grupo Princeton ha estado a la vanguardia del descubrimiento de nuevos materiales durante mucho tiempocon propiedades topológicas ", dijo Lee." Al extender este trabajo a una temperatura ambiente ferromagnética y demostrar la existencia de un nuevo tipo de estados de superficie del parche, este trabajo abre un nuevo dominio para nuevos descubrimientos ".
Para comprender sus hallazgos, los investigadores estudiaron la disposición de los átomos en la superficie del material usando varias técnicas, como verificar el tipo correcto de simetría usando el microscopio de túnel de escaneo en el Laboratorio de Hasan para Materia Cuántica Topológica y Espectroscopía Avanzada ubicada enel sótano de Princeton's Jadwin Hall.
Un contribuyente importante al hallazgo fue el equipo de espectroscopía de última generación utilizado para llevar a cabo el experimento. Los investigadores utilizaron una línea de haz de espectroscopía de fotoemisión dedicada, construida recientemente en el Stanford Synchrotron Radiation Lightsource, parte del Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC en Menlo Park,California.
"La luz utilizada en el experimento de fotoemisión SLAC es extremadamente brillante y enfocada a un punto pequeño de solo varias decenas de micrómetros de diámetro", dijo Belopolski. "Esto fue importante para el estudio".
El trabajo se llevó a cabo en estrecha colaboración con el grupo del profesor Hsin Lin en el Instituto de Física, Academia Sínica en Taiwán, y la profesora Claudia Felser en el Instituto Max Planck para la Física Química de los Sólidos en Dresden, Alemania, incluido el posdoctoralinvestigador Kaustuv Manna como co-primer autor.
Impulsados por la posibilidad tentadora de las aplicaciones, los investigadores dieron un paso más y aplicaron campos electromagnéticos al imán topológico para ver cómo respondería. Observaron una respuesta electromagnética exótica hasta la temperatura ambiente, que podría rastrearse directamente hasta elelectrones de bucle cuántico.
"Tenemos muchos materiales topológicos, pero entre ellos ha sido difícil mostrar una respuesta electromagnética clara derivada de la topología", agregó Hasan. "Aquí hemos podido hacer eso. Establece un campo de investigación completamente nuevo paraimanes topológicos "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionados por Universidad de Princeton . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencia del diario :
Cita esta página :