Los materiales cuánticos topológicos son aclamados como la piedra angular de futuros avances tecnológicos. Sin embargo, validar sus cualidades excepcionales siempre ha sido una tarea que requiere mucho tiempo. Sin embargo, investigadores del Clúster de Excelencia ct.qmat han desarrollado ahora una técnica experimental que identifica sistemáticamente materiales topológicos bidimensionales mediante una prueba rápida. Este descubrimiento podría ayudar a acelerar el progreso en esta clase de materiales en expansión. Sus hallazgos se presentaron como artículo principal en la revista Physical Review Letters.
La investigación de vanguardia es muy compleja y requiere mucho tiempo
En 2007, el profesor Laurens W. Molenkamp, miembro fundador del Clúster de Excelencia ct.qmat – Complejidad y Topología en Materia Cuántica de Würzburg-Dresden, proporcionó la primera prueba experimental de aislantes topológicos, una nueva clase de materiales. Estos materiales destacan porque, aunque su interior se comporta como un aislante eléctrico, conducen electrones por su superficie sin resistencia alguna. Desde este descubrimiento innovador, ha aumentado el interés mundial por estos materiales. Esto se debe a su papel fundamental en una posible revolución de los materiales y a sus prometedoras aplicaciones en tecnologías cuánticas, como el desarrollo de “chips fríos” que son potentes, energéticamente eficientes y no generan calor residual.
“Actualmente, la detección experimental de aislantes topológicos implica una investigación de gran complejidad. Se requiere un gran equipo y mucho tiempo para preparar una muestra del material. Además, la detección exitosa nunca está garantizada”, señala el profesor Ralph Claessen, portavoz de ct.qmat en Würzburg.
Prueba rápida para la revolución de los materiales
Pero ahora, un equipo de investigación de ct.qmat en Würzburg ha desarrollado 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 prometedora, lo único que se necesita son rayos X especiales», explica el Dr. Simon Moser, líder del proyecto en JMU Würzburg. “Las partículas de luz necesarias deben ser de alta frecuencia y estar polarizadas circularmente, es decir, tener momento angular. Esto se puede lograr utilizando cualquier fuente de luz sincrotrón. Por ejemplo, nuestras muestras fueron irradiadas en Elettra Sinchrotrone en Trieste y en Diamond Light Source, la instalación científica nacional de sincrotrón del Reino Unido en el Campus de Ciencia e Innovación de Harwell en Oxfordshire”.
Lo que parece simple es en realidad un avance significativo en la investigación de materiales cuánticos topológicos. “Si se consigue una ranura en un sincrotrón, se puede determinar en aproximadamente una semana si un material es un aislante topológico. Con el método tradicional, esto requiere al menos una tesis doctoral”, señala Moser.
Éxito del hilado con fotoemisión dicroica
La esencia del nuevo método de prueba rápida reside en la fotoemisión dicroica. La muestra de material se expone varias veces a luz de alta frecuencia con polarización variable. Inicialmente, del material sólo se liberan electrones que, por ejemplo, giran en el sentido de las agujas del reloj. Posteriormente, sólo se liberan electrones que giran en sentido antihorario.
Detectar las diferentes direcciones de rotación de los electrones mediante fotoemisión dicroica y así descubrir 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 una kagome metálica. “Usaron fotoemisión circular para investigar el metal kagome. Nos centramos en la metodología y desarrollamos una especie de receta que ahora funciona siempre, y no por casualidad”, dice Moser, explicando el nuevo enfoque de su equipo. «Nuestra prueba rápida hace que la topología electrónica sea sistemáticamente visible».
Panorama
Debido a que los investigadores tienen una larga trayectoria en la investigación de material cuántico bidimensional inofensivo, también utilizaron este material para desarrollar el método de prueba rápida. Además, ya están aplicando el principio a otros materiales. Un experimento reciente implicó irradiar una muestra de bismutona y los datos se analizarán pronto.
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; «Acceso sin polarización al momento angular orbital en materiales cuánticos bidimensionales»; Cartas de revisión física, volumen 132, 2024-5-6
