Visualización de modos de límite de onda de densidad de carga en un material topológico

Las ondas de densidad de carga son fenómenos cuánticos que ocurren en algunos materiales, que implican una modulación estática de los electrones de conducción y una distorsión periódica de la red. Estas ondas se han observado en varios materiales de materia condensada, incluidos superconductores de alta temperatura y sistemas Hall cuánticos.

Aunque muchos estudios han investigado estos estados, hasta ahora las observaciones experimentales de los estados límite que surgen de las ondas de densidad de carga son todavía escasas. En un artículo reciente, Publicado en Física de la naturalezaInvestigadores de la Universidad de Princeton y otros institutos de todo el mundo han visualizado los modos de volumen y límites de la onda de densidad de carga en el material topológico Ta._dosSi₈I.

«Nuestro grupo de investigación se centra en descubrir e investigar nuevas propiedades topológicas de la materia cuántica utilizando varias técnicas experimentales de última generación que investigan la estructura electrónica de los materiales», dijo a Phys.org el coautor del artículo, Maksim Litskevich. «En los últimos años, la comunidad física ha experimentado entusiasmo al explorar las ricas y fascinantes propiedades de los materiales de Kagome, que entrelazan intrincadamente geometría, topología e interacciones electrónicas».

Litskevich y sus colegas fueron pioneros en el estudio de las ondas de densidad de carga. Hace unos años, ellos descubrió la coexistencia de una onda de densidad de cargaun estado cuántico de muchos cuerpos caracterizado por una modulación espacial de la carga electrónica y una brecha de energía aislante, y un modo de borde sin espacios en FeGe, uno de los materiales de Kagome.

Aunque los investigadores han observado que estos dos estados coexisten en FeGe, esto no implica necesariamente que un estado haya causado el otro. De hecho, el estado del borde también puede ser trivial (no topológico) o, alternativamente, puede originarse a partir de una topología que no está relacionada con la onda de densidad de carga.

“Inspirado por el estudio de los compuestos de Kagome, nuestro equipo de investigación continuó la búsqueda de un vínculo entre la densidad de carga de onda y la topología, centrando la atención en un compuesto casi unidimensional, Ta_dosSi₈I, que presenta propiedades topológicas y sufre una transición al estado de onda de densidad de carga (por debajo de -10 grados Celsius)», dijo Litskevich.

«De forma emocionante, nossas medições de microscopia de tunelamento de varredura revelaram um modo de contorno dentro da lacuna (estado de borda) dentro de um estado de onda de densidade de carga de baixa temperatura, seguido por seu desaparecimento no estado semimetálico de Weyl de alta temperatura.»

Litskevich y sus colegas descubrieron que la periodicidad espacial y la fase de las oscilaciones del modo límite que observaron estaban estrechamente relacionadas con las características de la onda de densidad de carga en Ta._dosSi₈I. Esta relación codependiente sugiere que existe una relación inherente entre el modo límite y la onda de densidad de carga, una hipótesis que luego confirmaron mediante modelos teóricos.

«Por primera vez, hemos cerrado la brecha entre los sistemas de ondas topológicas y de densidad de carga, lo que marca un paso progresivo hacia desentrañar las complejidades del mundo cuántico», dijo Litskevich.

Para llevar a cabo sus experimentos, los investigadores emplearon una técnica experimental llamada microscopía de efecto túnel (STM). STM, que se basa en sondas largas y delgadas con forma de aguja para obtener imágenes de materiales a nivel atómico, les permitió investigar y examinar de cerca el material cuasi-1D Ta._dosSi₈I.

«Realizamos nuestras mediciones en el Omicron LT STM (LT = baja temperatura) en un rango de temperatura de 160 K a 300 K (-113 a 27 grados Celsius) en condiciones de vacío ultra alto», dijo Litskevich. «STM utiliza un fenómeno de túnel cuántico entre una punta metálica afilada y la superficie conductora de la muestra. Debido al túnel cuántico, los electrones móviles pueden filtrarse entre la punta y la muestra, produciendo así una pequeña corriente eléctrica detectada por componentes electrónicos sensibles».

La corriente de túnel detectada por las sondas STM se utiliza posteriormente para obtener imágenes de la superficie de materiales con definición subatómica. Al analizar la magnitud de la corriente en función del voltaje aplicado (una técnica conocida como espectroscopia de túnel), los investigadores también pudieron mapear la población de electrones en el material por niveles de energía.

“Con respecto a nuestro compuesto de estudio, Ta_dosSi₈I, las imágenes STM nos permitieron identificar el estado de onda de densidad de carga al resaltar la diferencia en la corriente eléctrica producida por las regiones de carga baja y alta», dijo Litskevich. «Además, al dirigir nuestra corriente de túnel desde la punta hasta el borde atómicamente afilado de En la muestra, detectamos un modo de límite en el espacio en el estado de onda de densidad de carga de Ta._dosSi₈I.»

Litskevich y sus colegas observaron la primera visualización de un modo de límite topológico único que surge de la onda de densidad de carga Ta._dosSi₈I. La observación de esta manera mejora la comprensión de las ondas de densidad de carga, allanando el camino para futuros estudios en este campo.

«El modo de límite topológico que observamos, asociado con la onda de densidad de carga, exhibe una topología única, distinta de los modos tradicionales de borde de Hall de espín cuántico», dijo a Phys.org el coautor del artículo, Md. Shafayat Hossain. «En lugar del flujo espectral habitual de la magnitud de momento asociada, observamos un 'flujo pseudoespectral' de la fase de momento. Específicamente, la fase del vector de onda de la onda de densidad de carga permanece sin espacios y conecta las fases en masa con espacios, lo que representa un alto estado exótico.»

Los investigadores encontraron que la brecha aislante inducida por la onda de densidad de carga en Ta_dosSi₈I y su modo de límite en el espacio son notablemente robustos y persisten a temperaturas de hasta 260 K. Esta robustez de la temperatura podría ser favorable para diversas aplicaciones y podría facilitar el desarrollo de nuevas tecnologías que aprovechen este modo.

«Las implicaciones de nuestros hallazgos son multifacéticas», afirmó Hossain. «El estado fundamental de la fase de carga ordenada en Ta_dosSi₈Se predice que I (el material de nuestra plataforma) será un aislante para los axiones, una fase de la materia muy buscada. Sin embargo, descubrimos que Ta_dosSi₈«No tiene el estado superficial topológico que se espera de un aislante de axiones no magnético».

Aunque las observaciones recopiladas por Litskevich, Hossain y sus colegas resaltan la naturaleza topológica de la fase de carga ordenada, arrojan dudas sobre algunas interpretaciones teóricas previas. En concreto, sugieren que, a diferencia de hipótesis anteriores, Ta_dosSi₈Quizás no sea un aislante de axiones.

«Anticipamos que nuestro trabajo inspirará a la comunidad científica en general a buscar fases CDW (simetría rota) adicionales en materiales topológicos, avanzando así en la comprensión de la interacción entre estos nuevos fenómenos», dijo Hossain. «En el grupo del profesor Zahid Hasan en Princeton, estamos dedicando esfuerzos concentrados a descubrir nuevas fases cuánticas de la materia».

La nueva fase identificada por este equipo de investigación abre nuevas e interesantes vías de investigación. Sobre la base de su reciente descubrimiento, Litskevich, Hossain y sus colegas ahora planean explorar nuevos fenómenos cuánticos que surgen de la interacción entre las ondas de densidad de carga y la topología de un material. Por ejemplo, examinarán más a fondo los paralelismos conocidos entre las ondas de densidad de carga y las superconductividades.

«Así como el entrelazamiento de la topología y la superconductividad conduce a la superconductividad topológica (una plataforma muy prometedora para los cálculos cuánticos topológicos), las ondas de densidad de carga topológica también pueden ser importantes para los futuros cálculos cuánticos y nanotecnologías», añadió Hossain. «Tenemos la intención de explorar más a fondo estas posibilidades. Nuestro objetivo inmediato es determinar los parámetros de orden asociados con este exótico estado cuántico».

En sus próximos estudios, Hossain y sus colegas también planean investigar otros materiales cuánticos que exhiben ondas de densidad de carga, en busca de fenómenos similares. Finalmente, continuarán su búsqueda para descubrir nuevos fenómenos en materiales cuánticos y esperan que esto conduzca a nuevos descubrimientos interesantes.

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