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Credit: Unsplash/CC0 Public Domain |
Los investigadores han descubierto un efecto Hall de "capa" en un chip de estado sólido construido con telururo de manganeso y bismuto antiferromagnético, un hallazgo que señala un estado aislante topológico de Axion muy buscado, informa el equipo en la edición actual de la revista Nature.
Los investigadores han tratado de encontrar pruebas de un estado topológico aislante de Axion (TAI) y han desarrollado algunos materiales candidatos basándose en cálculos teóricos. El efecto Hall en capas representa la primera prueba experimental clara de este estado, una característica obligada por las leyes de la física cuántica, según el profesor adjunto de Física del Boston College Qiong Ma, investigador principal del proyecto, en el que participaron 36 científicos de universidades de Estados Unidos, Japón, China, Taiwán, Alemania e India.
Los investigadores creen que, cuando se comprenda plenamente, el TAI podrá utilizarse para fabricar semiconductores con posibles aplicaciones en dispositivos electrónicos, dijo Ma. Las propiedades altamente inusuales de los axiones permitirán una nueva respuesta electromagnética denominada efecto magnetoeléctrico topológico, lo que allana el camino para realizar sensores, detectores y dispositivos de memoria ultrasensibles, ultrarrápidos y sin disipación.
En el centro de esta línea de investigación entre físicos y científicos de materiales están los axiones, partículas de interacción débil postuladas por primera vez por los teóricos hace más de 30 años, dijo Ma. Son uno de los principales candidatos a la materia oscura, una misteriosa forma de materia que se cree que representa aproximadamente el 85% del universo.
Si bien la búsqueda de axiones en la física de altas energías continúa activamente, recientemente se ha propuesto que los axiones pueden realizarse como cuasipartículas en materiales de estado sólido. El principal candidato para localizar Axiones es un material TAI cuántico, donde los investigadores sugieren que los Axiones existen como excitaciones electrónicas de baja energía, dijo Ma.
"Nos propusimos buscar el estado aislante topológico de Axión en un dispositivo cuántico cuidadosamente diseñado hecho de capas de MnBi2Te4 -o teluro de manganeso y bismuto-", dijo Ma. "Estudios anteriores han demostrado el estado aislante, es decir, una resistencia muy grande, lo que, sin embargo, es cierto para cualquier aislante. Queríamos demostrar además propiedades que son exclusivas de los aislantes Axion y que no existen en los aislantes normales, como el diamante".
El material forma una estructura cristalina bidimensional, lo que permitió a Ma y a sus colegas exfoliar mecánicamente escamas de un átomo de grosor utilizando cinta de celofán que puede encontrarse en la mayoría de las farmacias y supermercados. Se propuso que las estructuras de escamas finas con un número par de capas fueran un aislante de Axion.
Ma trabajó en estrecha colaboración con sus compañeros físicos del Boston College, Brian Zhou y Kenneth Burch. Zhou utilizó una técnica cuántica única para detectar el magnetismo del MnBi2Te4. Burch cuenta con una instalación única de caja de guantes utilizada para procesar la muestra en un entorno inerte.
"Primero caracterizamos el número de capas con métodos ópticos y luego realizamos mediciones de transporte eléctrico, como la medición de la resistencia de la muestra bajo diferentes condiciones, incluyendo la variación del campo eléctrico, el campo magnético y la temperatura ambiental", dijo Ma.
Los investigadores descubrieron el efecto Hall, una conocida ley de la física por la que los electrones se desplazan en ángulo desde el eje bajo la influencia de un campo magnético aplicado. Pero en este caso, estos electrones viajaban sin esa ayuda, dijo Ma. La clave era la topología de los materiales, o las características cuánticas de sus electrones y las ondas en las que funcionan.
"Observamos una propiedad novedosa para los electrones que viajan a través de este material en su estado de aislamiento Axion: Los electrones no viajan en línea recta, sino que se desvían hacia la dirección transversal. Este efecto normalmente sólo se observaba bajo un gran campo magnético, conocido como efecto Hall", dijo Ma. "Pero aquí, la desviación se produce debido a la topología inherente de los materiales y sin campo magnético externo. Lo más interesante es que los electrones se desvían hacia lados opuestos en las capas superior e inferior. Por ello, lo acuñamos como efecto Hall de capa. El efecto Hall de capa sirve como firma distintiva del estado aislante topológico Axion, que no se produce en los aislantes normales".
Ma, cuya investigación en el proyecto cuenta con el apoyo del Departamento de Energía de EE.UU., dijo que el equipo se sorprendió al descubrir que el estado aislante topológico Axion y el efecto Hall de capa pueden ser controlados eficazmente por el llamado campo Axion, que es el producto de la aplicación de un campo eléctrico y un campo magnético.
"Esto significa que si los electrones se desvían a la izquierda o a la derecha en las capas superior e inferior puede cambiarse mediante la aplicación colectiva de los campos eléctrico y magnético", dijo Ma. "Un solo campo no es capaz de cambiar una situación por otra".
El profesor adjunto de química de la Universidad de Harvard, Suyang Xu, autor principal del informe, añadió: "Estamos muy entusiasmados con este trabajo porque demuestra la primera plataforma realista del estado aislante topológico de Axion".
Ma dijo que la identificación del estado aislante topológico de Axión conduce al siguiente paso de buscar firmas de la dinámica definitoria de Axión en este sistema, lo que se conoce como el efecto magnetoeléctrico topológico (ME).
"El efecto ME topológico es un mecanismo fundamentalmente nuevo para convertir la electricidad en magnetismo, o viceversa, sin pérdida de energía, y tiene un gran potencial para realizar dispositivos espintrónicos y de memoria ultraeficientes", dijo Ma.
Para demostrarlo, habrá que seguir optimizando la calidad del material, la geometría del dispositivo y ampliar las capacidades experimentales, dijo Ma.
Fuentes, créditos y referencias:
Más información: Layer Hall effect in a 2D topological axion antiferromagnet, Nature (2021). DOI: 10.1038/s41586-021-03679-w , www.nature.com/articles/s41586-021-03679-w