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Los científicos descubren un imán topológico que exhibe efectos cuánticos exóticos

Los científicos descubren un imán topológico que exhibe efectos cuánticos exóticos

Movimiento quiral de electrones en un imán topológico de Chern

Las flechas representan los giros de electrones apuntando hacia arriba desde una red kagome. La quiralidad está representada por el círculo de fuego en sentido antihorario, que representa los electrones / corriente que se propagan en el borde del imán. Los dos conos demuestran que la mayor parte del imán contiene fermiones de Dirac (dispersión lineal o cónica de bandas) con una brecha de energía (brecha de Chern), lo que lo hace topológico. Crédito: Imagen del grupo M. Zahid Hasan, Universidad de Princeton.

Los nuevos efectos cuánticos del imán se extienden a temperatura ambiente.

Un equipo internacional dirigido por investigadores de Universidad de Princeton ha descubierto una nueva clase de imán que exhibe nuevos efectos cuánticos que se extienden a temperatura ambiente.

Los investigadores descubrieron una fase topológica cuantificada en un imán prístino. Sus hallazgos proporcionan información sobre una teoría de 30 años de cómo los electrones cuantifican y demuestran espontáneamente un método de prueba de principio para descubrir nuevos imanes topológicos. Los imanes cuánticos son plataformas prometedoras para la corriente sin disipación, la alta capacidad de almacenamiento y las tecnologías ecológicas futuras. El estudio fue publicado en la revista. Naturaleza esta semana.

Las raíces del descubrimiento radican en el funcionamiento del efecto Hall cuántico, una forma de efecto topológico que fue el tema del Premio Nobel de Física en 1985. Esta fue la primera vez que una rama de las matemáticas teóricas, llamada topología, comenzaría fundamentalmente cambiar la forma en que describimos y clasificamos la materia que conforma el mundo que nos rodea. Desde entonces, las fases topológicas se han estudiado intensamente en ciencia e ingeniería. Se han encontrado muchas clases nuevas de materiales cuánticos con estructuras electrónicas topológicas, incluidos los aislantes topológicos y los semimetales Weyl. Sin embargo, aunque algunas de las ideas teóricas más interesantes requieren magnetismo, la mayoría de los materiales explorados no han sido magnéticos y no muestran cuantificación, dejando muchas posibilidades tentadoras sin cumplir.

"El descubrimiento de un material topológico magnético con comportamiento cuantificado es un gran paso adelante que podría desbloquear nuevos horizontes en el aprovechamiento de la topología cuántica para la futura física fundamental y la investigación de dispositivos de próxima generación", dijo M. Zahid Hasan, profesor de física de Eugene Higgins en Princeton Universidad, que dirigió el equipo de investigación.

Las flechas representan los giros de electrones apuntando hacia arriba desde una red kagome. La quiralidad está representada por el círculo de fuego en sentido antihorario, que representa los electrones / corriente que se propagan en el borde del imán. Los dos conos demuestran que la mayor parte del imán contiene fermiones de Dirac (dispersión lineal o cónica de bandas) con una brecha de energía (brecha de Chern), lo que lo hace topológico.

Mientras se realizaban rápidamente descubrimientos experimentales, la física teórica se destacó en el desarrollo de ideas que condujeron a nuevas mediciones. F. Duncan Haldane, profesor de física matemática de Thomas D. Jones y profesor de física de la Universidad de Sherman Fairchild en Princeton, que en 2016 recibió el Premio Nobel de Física por cuestiones teóricas, presentaron importantes conceptos teóricos sobre aisladores topológicos 2D en 1988. descubrimientos de transiciones de fase topológica y fases topológicas de la materia. Los desarrollos teóricos posteriores mostraron que el magnetismo de alojamiento de aislante topológico en una disposición atómica especial conocida como retícula kagome puede albergar algunos de los efectos cuánticos más extraños.

Hasan y su equipo han estado buscando durante una década un estado cuántico magnético topológico que también pueda funcionar a temperatura ambiente desde su descubrimiento de los primeros ejemplos de aisladores topológicos tridimensionales. Recientemente, encontraron una solución de materiales para la conjetura de Haldane en un imán de celosía kagome que es capaz de funcionar a temperatura ambiente, que también exhibe la cuantización tan deseada. “La red kagome se puede diseñar para poseer cruces de banda relativistas e interacciones electrón-electrón fuertes. Ambos son esenciales para el magnetismo novedoso. Por lo tanto, nos dimos cuenta de que los imanes de kagome son un sistema prometedor para buscar las fases de los imanes topológicos, ya que son como los aislantes topológicos que estudiamos antes ”, dijo Hasan.

Durante tanto tiempo, el material directo y la visualización experimental de este fenómeno han sido esquivos. El equipo descubrió que la mayoría de los imanes de kagome eran demasiado difíciles de sintetizar, el magnetismo no se entendía suficientemente bien, no se podían observar firmas experimentales decisivas de la topología o cuantificación, o solo funcionaban a temperaturas muy bajas.

"Un diseño adecuado de la química atómica y la estructura magnética junto con la teoría de los primeros principios es el paso crucial para hacer que la predicción especulativa de Duncan Haldane sea realista en un entorno de alta temperatura", dijo Hasan. “Hay cientos de imanes de kagome, y necesitamos intuición, experiencia, cálculos específicos de materiales e intensos esfuerzos experimentales para eventualmente encontrar el material adecuado para la exploración en profundidad. Y eso nos llevó a un viaje de una década ”.

A través de varios años de intensa investigación en varias familias de imanes topológicos (Nature 562, 91 (2018); Nature Phys 15, 443 (2019), Phys. Rev. Lett. 123, 196604 (2019), Nature Commun. 11, 559 ( 2020), Phys. Rev. Lett. 125, 046401 (2020)), el equipo se dio cuenta gradualmente de que un material hecho de los elementos terbio, magnesio y estaño (TbMn6Sn6) tiene la estructura cristalina ideal con propiedades químicamente prístinas, mecánicas cuánticas y espacialmente capas de celosía kagome segregadas. Además, presenta de forma única una fuerte magnetización fuera del plano. Con este imán de kagome ideal sintetizado con éxito en el gran nivel de cristal único por colaboradores del grupo de Shuang Jia en la Universidad de Pekín, el grupo de Hasan comenzó a realizar mediciones sistemáticas de vanguardia para verificar si los cristales son topológicos y, lo que es más importante, presentan el deseado Exótico estado magnético cuántico.

El equipo de investigadores de Princeton utilizó una técnica avanzada conocida como microscopía de túnel de barrido, que es capaz de sondear las funciones de ondas electrónicas y de espín de un material a escala subatómica con resolución de energía submilivoltios. En estas condiciones ajustadas, los investigadores identificaron los átomos de la red magnética kagome en el cristal, hallazgos que se confirmaron aún más con la espectroscopía de fotoemisión de resolución angular con resolución de momento.

"La primera sorpresa fue que la red magnética de kagome en este material está súper limpia en nuestra microscopía de túnel de exploración", dijo Songtian Sonia Zhang, coautora del estudio que obtuvo su Ph.D. en Princeton a principios de este año. "La visualización experimental de una red de kagome magnético sin defectos ofrece una oportunidad sin precedentes para explorar sus propiedades cuánticas topológicas intrínsecas".

El verdadero momento mágico fue cuando los investigadores activaron un campo magnético. Descubrieron que los estados electrónicos de la red kagome se modulan drásticamente, formando niveles de energía cuantificados de manera consistente con la topología de Dirac. Al elevar gradualmente el campo magnético a 9 Tesla, que es cientos de miles de veces más alto que el campo magnético de la Tierra, mapearon sistemáticamente la cuantización completa de este imán. “Es extremadamente raro, aún no se ha encontrado uno, encontrar un sistema magnético topológico con el diagrama cuantificado. Requiere un diseño de material magnético casi sin defectos, una teoría ajustada y mediciones espectroscópicas de vanguardia ”, dijo Nana Shumiya, una estudiante graduada y coautora del estudio.

El diagrama cuantificado que midió el equipo proporciona información precisa que revela que la fase electrónica coincide con una variante del modelo Haldane. Confirma que el cristal presenta una dispersión de Dirac polarizada por rotación con una gran brecha de Chern, como lo esperaba la teoría de los imanes topológicos. Sin embargo, todavía faltaba una pieza del rompecabezas. "Si esto es realmente una brecha de Chern, entonces, basado en el principio de límite de volumen topológico fundamental, deberíamos observar los estados quirales (tráfico unidireccional) en el borde del cristal", dijo Hasan.

La pieza final cayó en su lugar cuando los investigadores escanearon el límite o el borde del imán. Encontraron una firma clara de un estado de borde solo dentro de la brecha energética de Chern. Al propagarse a lo largo del lado del cristal sin dispersión aparente (lo que revela su carácter sin disipación), se confirmó que el estado era el estado del borde topológico quiral. Las imágenes de este estado no tenían precedentes en ningún estudio previo de imanes topológicos.

Los investigadores utilizaron además otras herramientas para verificar y reconfirmar sus hallazgos de los fermiones de Dirac con huecos de Chern, incluidas las mediciones de transporte eléctrico de la escala anómala de Hall, la espectroscopía de fotoemisión resuelta en ángulo de la dispersión de Dirac en el espacio de momento y los cálculos de primer principio del orden topológico en la familia material. Los datos proporcionaron un espectro completo de evidencia interconectada que apunta a la realización de una fase de Chern de límite cuántico en este imán de kagome. "Todas las piezas encajan en una demostración de libro de texto de la física de los fermiones magnéticos Dirac con huecos de Chern", dijo Tyler A. Cochran, un estudiante graduado y coautor del estudio.

Ahora, el enfoque teórico y experimental del grupo se está desplazando a las docenas de compuestos con estructuras similares a TbMn6Sn6 que alojan redes de kagome con una variedad de estructuras magnéticas, cada una con su topología cuántica individual. "Nuestra visualización experimental de la fase Chern de límite cuántico demuestra una metodología de prueba de principio para descubrir nuevos imanes topológicos", dijo Jia-Xin Yin, investigador postdoctoral senior y otro coautor del estudio.

"Esto es como descubrir agua en un exoplaneta – abre una nueva frontera para la investigación de materia cuántica topológica para la que nuestro laboratorio de Princeton ha sido optimizado ”, dijo Hasan.

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Referencia: "Magnetismo de Chern de límite cuántico en TbMn6Sn6" por Jia-Xin Yin, Wenlong Ma, Tyler A. Cochran, Xitong Xu, Songtian S. Zhang, Hung-Ju Tien, Nana Shumiya, Guangming Cheng, Kun Jiang, Biao Lian, Zhida Song, Guoqing Chang, Ilya Belopolski, Daniel Multer, Maksim Litskevich, Zi-Jia Cheng, Xian P. Yang, Bianca Swidler, Huibin Zhou, Hsin Lin, Titus Neupert, Ziqiang Wang, Nan Yao, Tay-Rong Chang, Shuang Jia y M. Zahid Hasan, 22 de julio de 2020, Naturaleza.DOI: 10.1038 / s41586-020-2482-7

El trabajo experimental de STM y la predicción teórica de materiales topológicos fueron apoyados por la Fundación Gordon y Betty Moore bajo la subvención GBMF9461 / HASAN. La parte ARPES del experimento fue apoyada por el Departamento de Energía de las Ciencias Básicas de Energía de EE. UU. Bajo la subvención DOE / BES DE-FG-02-05ER46200 y DE-FG02-99ER45747. El trabajo en el Centro de Imagen y Análisis de Princeton está respaldado por el Centro Princeton para Materiales Complejos, un programa de la Fundación Nacional de Ciencias (NSF) -MRSEC, bajo la subvención DMR-1420541. El apoyo adicional proviene del Programa de Becas de Investigación para Graduados de la National Science Foundation con el número de subvención DGE-1656466. Esta investigación utilizó recursos de Advanced Light Source, una instalación de usuarios de la Oficina de Ciencia del DOE bajo la subvención DE-AC02-05CH11231.