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Un cristal quiral permite un nuevo avance en materiales topológicos

Los metales topológicos presentan propiedades ‘exóticas’, cuya magnitud es proporcional a un parámetro llamado número de Chern. Ahora, por primera vez, se ha logrado alcanzar el máximo valor de ese número de forma experimental utilizando cristales quirales de paladio y galio.

Esquema de un control 'manual' del número de Chern y resultados reales con dos cristales de paladio (Pd) y galio (Ga) con quiralidades opuestas, lo que afecta a sus propiedades electrónicas. Ambos compuestos muestran el número máximo de Chern, pero con signo opuesto (+4 y -4 respectivamente). / Niels B. M. Schröter et al.

La topología es una parte de las matemáticas que estudia las propiedades de los cuerpos geométricos que no cambian durante las transformaciones. Esta rama de la ciencia también permite describir cómo materiales muy finos pueden, paso a paso, experimentar extraños cambios gobernados por leyes cuánticas.  

Dentro de este campo, se concedió el Premio Nobel de Física 2016 a los físicos teóricos David Thouless, Duncan Haldane y Michael Kosterlitz, porque abrieron “una puerta a lo desconocido donde la materia puede adoptar estados insólitos”.

Con la ayuda de cristales quirales de paladio y galio, se ha logrado por primera vez obtener de forma experimental el valor máximo del llamado número de Chern, que determina la magnitud de fenómenos electrónicos exóticos propios de los materiales topológicos

El reconocimiento se debía a su descubrimiento de la transición topológica y las fases topológicas de la materia, un cambio de fase muy sutil a nivel microscópico que produce fenómenos electrónicos singulares. Dentro de la física de la materia condensada, tiene aplicaciones en la gestión de datos en componentes electrónicos y en computación cuántica.

En los metales topológicos, los electrones se comportan de manera diferente a los de los materiales convencionales, y la magnitud de los fenómenos exóticos que presentan es directamente proporcional a un número llamado número de Chern.

Es decir, la característica fundamental que determina que un metal sea topológico es esta propiedad de los electrones conocida como número de Chern. Su valor es cero para un metal convencional, ¿pero cómo de grande puede ser?

Cristal quiral de paladio y galio

Para responder a esta pregunta, un grupo internacional de investigadores aporta ahora nuevos aspectos relevantes utilizando como material un cristal quiral de paladio y galio (PdGa).

La quiralidad es la propiedad de un objeto de no ser superponible con su imagen especular, como nuestras manos. En este caso, los investigadores han logrado crecer cristales con quiralidades distintas, afectando al comportamiento electrónico del material. Así han conseguido experimentalmente obtener el número máximo de Chern, pero con signos contrarios (+4 y -4).

Al crecer cristales de PdGa idénticos pero con quiralidades opuestas se ha podido demostrar que este cambio afecta a sus propiedades electrónicas, en concreto al signo del número de Chern (+4 y -4)

En el estudio, que publica la revista Science, ha participado la física Ikerbasque del Donostia International Physics Center (DIPC) Maia GarcíaVergniory y el físico Ikerbasque del DIPC Fernando de Juan.

"Hasta ahora había sido imposible demostrar que ningún material alcanzara el número de Chern máximo (+4)", señala Fernando de Juan, "pero con la precisión de este experimento y el análisis teórico que hacemos podemos asegurar que este es el primer material donde ocurre".

"Los cristales de PdGa han resultado idóneos para la demostración que teníamos en mente: nuestros cálculos predecían efectos claramente observables pero eran necesarias muestras muy limpias que no se podían obtener con otros materiales", argumenta García-Vergniory.

Las pruebas experimentales, en las que se ha determinado la estructura electrónica por fotoemisión de electrones mediante radiación de sincrotrón, se han llevado a cabo usando estos cristales en las grandes instalaciones del Swiss Light Source (SLS) en Suiza y el Diamond Light Source en el Reino Unido.

Este trabajo ha sido liderado por el científico Niels Schröter del Paul Scherrer Institut (PSI) de Suiza, y además del DIPC y los sincrotrones, ha participado el Instituto Max Planck de Físico-Química de Solidos (Alemania), el Instituto Federal Suizo para Materiales, Ciencia y Tecnología (EMPA), la Escuela Politécnica Federal de Lausana (EPFL), la Universidad de Oxford (Reino Unido) y la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign (EE UU).

En el futuro, el grupo de investigación tiene intención de seguir estudiando el efecto de la quiralidad en otras estructuras cristalinas y analizar su relevancia en procesos de catálisis y su posible correlación con las propiedades topológicas. 

Maia Garcia Vergniory y Fernando de Juan, investigadores Ikerbasque del DIPC y coautores del estudio. / DIPC

Referencia:

“Observation and control of maximal Chern numbers in a chiral topological semimetal”. N. B. M. Schröter, S. Stolz, K. Manna, F. de Juan, M. G. Vergniory, J. A. Krieger, D. Pei, T. Schmitt, P. Dudin, T. K. Kim, C. Cacho, B. Bradlyn, H. Borrmann, M. Schmidt, R. Widmer, V. N. Strocov, C. Felser. Science 369, 179-183 (2020). DOI: 10.1126/science.aaz3480

Fuente:
DIPC
Derechos: Creative Commons.
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