Hito metodológico para la física cuántica: prueba rápida de materiales topológicos 2D
Este avance podría contribuir a acelerar el progreso de esta clase de materiales en auge
Los materiales cuánticos topológicos se consideran la piedra angular de los futuros avances tecnológicos. Sin embargo, validar sus cualidades excepcionales siempre ha sido una tarea larga. Sin embargo, los investigadores del clúster de excelencia ct.qmat han desarrollado ahora una técnica experimental que identifica sistemáticamente los materiales topológicos bidimensionales mediante una prueba rápida. Este avance podría contribuir a acelerar el progreso de esta clase de materiales en auge. Sus hallazgos han aparecido como artículo principal en la revista Physical Review Letters.
La investigación puntera es muy compleja y requiere mucho tiempo
En 2007, el profesor Laurens W. Molenkamp, miembro fundador del clúster de excelencia Würzburg-Dresden ct.qmat - Complexity and Topology in Quantum Matter (Complejidad y topología en la materia cuántica), aportó la primera prueba experimental de los aislantes topológicos, una nueva clase de materiales. Estos materiales destacan porque, aunque su interior se comporta como un aislante eléctrico, conducen electrones en su superficie sin ninguna resistencia. Desde aquel descubrimiento pionero, el interés mundial por estos materiales se ha disparado. El motivo es su papel fundamental en una posible revolución de los materiales y sus prometedoras aplicaciones en tecnologías cuánticas, como el desarrollo de "chips fríos" potentes, energéticamente eficientes y que no generen calor residual.
"En la actualidad, detectar experimentalmente aislantes topológicos conlleva una investigación muy compleja. Requiere un gran equipo y una cantidad de tiempo considerable para preparar una muestra del material. Además, el éxito de la detección nunca está asegurado", señala el profesor Ralph Claessen, portavoz de ct.qmat en Würzburg.
Una prueba rápida para la revolución de los materiales
Pero ahora, un equipo de investigación de ct.qmat en Würzburg ha ideado un método sistemático para identificar materiales cuánticos topológicos bidimensionales en un tiempo récord utilizando una técnica de medición mucho más sencilla. "Básicamente, además de una muestra de material prometedor, todo lo que se necesita son rayos X especiales", explica el Dr. Simon Moser, director del proyecto en la JMU de Würzburg. "Las partículas de luz necesarias deben ser de alta frecuencia y polarizadas circularmente, lo que significa que poseen momento angular. Esto puede conseguirse utilizando cualquier fuente de luz de sincrotrón. Por ejemplo, nuestras muestras se irradiaron en la Elettra Sincrotrone de Trieste y en la Diamond Light Source, la instalación científica nacional de sincrotrón del Reino Unido situada en el Harwell Science and Innovation Campus de Oxfordshire".
Lo que parece sencillo es en realidad un avance significativo en la investigación de materiales cuánticos topológicos. "Si se consigue una plaza en el sincrotrón, se puede determinar en una semana si un material es un aislante topológico. Con el método tradicional, esto lleva al menos una tesis doctoral", señala Moser.
Éxito rotatorio con la fotoemisión dicroica
La esencia del nuevo método de ensayo rápido reside en la fotoemisión dicroica. La muestra de material se expone varias veces a luz de alta frecuencia con polarización variable. Inicialmente, sólo los electrones que giran en el sentido de las agujas del reloj, por ejemplo, se liberan del material. Posteriormente, sólo se liberan los electrones que giran en sentido contrario a las agujas del reloj.
Detectar los diferentes sentidos de rotación de los electrones mediante fotoemisión dicroica y descubrir así su topología no es una idea nueva. En 2023, otro equipo de ct.qmat de Würzburg utilizó este método para analizar por primera vez la topología de un metal kagome. "Utilizaron la fotoemisión circular para investigar el metal kagome. Nos centramos en la metodología y desarrollamos una especie de receta que ahora siempre funciona, no por casualidad", dice Moser, explicando el nuevo enfoque de su equipo. "Nuestra prueba rápida hace visible sistemáticamente la topología de los electrones".
Perspectivas
Como los investigadores tienen una larga trayectoria en la investigación del material cuántico bidimensional indeneno, también utilizaron este material para desarrollar el método de prueba rápida. Además, ya están aplicando el principio a otros materiales. Un experimento reciente consistió en irradiar una muestra de bismuteno, y los datos se analizarán en breve.
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Publicación original
Jonas Erhardt, Cedric Schmitt, Philipp Eck, Matthias Schmitt, Philipp Keßler, Kyungchan Lee, Timur Kim, Cephise Cacho, Iulia Cojocariu, Daniel Baranowski, Vitaliy Feyer, Louis Veyrat, Giorgio Sangiovanni, Ralph Claessen, Simon Moser; "Bias-Free Access to Orbital Angular Momentum in Two-Dimensional Quantum Materials"; Physical Review Letters, Volume 132, 2024-5-6
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