Nuevos estudios explican el extraño flujo de electrones en materiales futuros

Los investigadores demuestran cómo el flujo perfecto de electrones en la superficie de algunos tipos de aisladores topológicos puede ser sorprendentemente frágil

Los electrones corren a lo largo de la superficie de ciertos materiales cristalinos inusuales, excepto que a veces no lo hacen. Dos nuevos estudios de investigadores de Princeton y sus colaboradores explican la fuente del comportamiento sorprendente y trazan un curso para restaurar la conductividad en estos cristales notables, apreciados por su uso potencial en tecnologías futuras, incluidas las computadoras cuánticas.
Durante los últimos 15 años, una clase de materiales conocidos como aislantes topológicos ha dominado la búsqueda de los materiales del futuro. Estos cristales tienen una propiedad poco común: sus interiores son aislantes, donde los electrones no pueden fluir, pero sus superficies son conductores perfectos, donde los electrones fluyen sin resistencia.
Esa fue la imagen hasta el descubrimiento hace dos años de que algunos materiales topológicos en realidad no pueden conducir la corriente en su superficie, un fenómeno que se ganó el nombre de “topología frágil”.
“La topología frágil es una bestia extraña: ahora se prevé que exista en cientos de materiales”, dijo B. Andrei Bernevig, profesor de física en Princeton y coautor de ambos artículos. “Es como si el principio habitual en el que hemos estado confiando para determinar experimentalmente un estado topológico se descomponga”.
Para tener una idea de cómo se forman los estados frágiles, los investigadores recurrieron a dos recursos: ecuaciones matemáticas e impresoras 3D. Con Luis Elcoro en la Universidad del País Vasco, el investigador postdoctoral de Bernevig y Princeton, Zhi-Da Song, construyó una teoría matemática para explicar lo que está sucediendo dentro de los materiales.
Luego, Sebastian Huber y su equipo en ETH Zurich, en colaboración con investigadores del Princeton, el Instituto de Ciencia Weizmann en Israel, la Universidad Tecnológica del Sur de China y la Universidad de Wuhan, probaron la teoría construyendo un material topológico de
En el primero de los dos artículos de Science, Bernevig, Song y Elcoro proporcionan una explicación teórica para una nueva correspondencia de límites masivos para explicar la topología frágil. Los colaboradores muestran que la función de onda de electrones de la topología frágil solo se extiende a la superficie bajo condiciones específicas, lo que los investigadores llaman una correspondencia retorcida de límite de masa.
En el segundo artículo de Science, Sebastian Huber y su equipo de ETH Zurich construyeron un cristal topológico simulado a gran escala de plástico con piezas impresas en 3D. Usaron ondas de sonido para representar las funciones de ondas de electrones. Insertaron barreras para bloquear el camino de las ondas de sonido, lo que es análogo a cortar el cristal para revelar las superficies conductoras. De esta manera, los investigadores imitaron la condición de límite retorcida y luego demostraron que al manipularla, podían demostrar que una onda de sonido de conducción libre viaja a través de la superficie.

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