Cambio de dirección: Un equipo de investigadores descubre la quiralidad electrónica conmutable en un superconductor aciral Kagome

Un equipo internacional de investigación dirigido por el Departamento de Materia Cuántica Microestructurada del MPSD informa de la primera observación de transporte quiral conmutable en un cristal estructuralmente aciral, el superconductor Kagome CsV₃Sb₅. Su trabajo se ha publicado en Nature.

El hecho de que un objeto sea indistinguible de su imagen en el espejo tiene importantes consecuencias para su comportamiento físico. Digamos que se observa a un jugador de baloncesto en un espejo. El balón, el jugador y su entorno son, a primera vista, iguales en el espejo que en la vida real. Pero si se observa de cerca, algunos detalles son diferentes. El balón en la mano derecha del jugador aparece ahora en su mano izquierda en el espejo. Aunque la imagen del espejo sigue mostrando la misma mano, ésta ha cambiado claramente de izquierda a derecha o viceversa. Muchos otros objetos físicos también tienen imágenes en el espejo que difieren en un aspecto clave, al igual que las manos, por lo que los científicos los denominan manuales o quirales (del griego χϵρι = mano). Otros, como la pelota, no pueden distinguirse de su imagen en el espejo, lo que los convierte en quirales.

La quiralidad es una de las propiedades geométricas más fundamentales y desempeña un papel especial en la biología, la química y la física. Puede provocar efectos sorprendentes: Una versión de la molécula de carvona, por ejemplo, produce un olor a menta, pero su equivalente quiral -espejado- huele a alcaravea.

En la ciencia de los materiales, se distingue entre cristales en los que la disposición periódica de los átomos es quiral o no. Si lo es, los electrones y las corrientes eléctricas que fluyen en su interior también deben diferir de alguna manera de su imagen especular, una propiedad que puede dar lugar a respuestas exóticas y aplicaciones novedosas. Un ejemplo es un efecto similar al de un diodo en el que las corrientes eléctricas que fluyen de izquierda a derecha son diferentes de las que fluyen de derecha a izquierda, una propiedad llamada anisotropía magneto-ciral electrónica (eMChA). Hasta ahora, este fenómeno sólo se había detectado en cristales estructuralmente quirales.

Ahora, sin embargo, un equipo internacional de investigación ha informado de la primera observación de este transporte quiral en un cristal estructuralmente quiral, el superconductor Kagome CsV3Sb5. Su trabajo se ha publicado en Nature. En el equipo participaron científicos del MPSD y del Instituto Max Planck de Física Química de los Sólidos (Alemania), la EPFL y la Universidad de Zúrich (Suiza), la Universidad del País Vasco (España) y la Universidad de Qingdao (China).

El rompecabezas cuántico es tan sencillo como profundo: si las posiciones atómicas en el cristal son las mismas que en su imagen especular, ¿cómo es posible que sus electrones no lo sean? Está claro que debe estar en juego un mecanismo novedoso que va más allá de un simple efecto de forma como el que tenemos en nuestras manos. A diferencia de la quiralidad estructural, que está tan firmemente impresa en un cristal como en una mano humana, esta nueva quiralidad electrónica puede conmutarse utilizando campos magnéticos. La quiralidad conmutable no se había observado nunca antes y es muy posible que encuentre su aplicación en la tecnología del futuro.

Está claro que este comportamiento inusual está directamente relacionado con las fuertes interacciones electrónicas. El equipo propone un modelo en el que los electrones se organizan en patrones que violan la simetría del espejo, aunque los átomos estén dispuestos de forma simétrica.

El CsV₃Sb₅ ya es conocido por muchas estructuras electrónicas de interacción de este tipo, como la formación de un orden de carga quiral no convencional que presenta una tentadora modulación de carga. Estas estructuras electrónicas quirales pueden girar espontáneamente, provocando una respuesta magnética orbital asociada a un comportamiento conocido como "corrientes de bucle", como describen C. Mielke et al., Nature 2022.

El CsV₃Sb₅ parece ser una caja de arena fantástica para sondear fenómenos cuánticos correlacionados, incluido el primer ejemplo de quiralidad electrónica conmutable. Los próximos pasos incluyen el aumento del rango operativo de la temperatura criogénica a la temperatura ambiente y la mejora de la magnitud de esta respuesta. Está claro que queda mucho por hacer con los sistemas que interactúan en redes geométricamente frustradas.