La corriente toma un camino sorprendente en el material cuántico

Los investigadores de Cornell utilizaron imágenes magnéticas para obtener la primera visualización directa de cómo fluyen los electrones en un tipo especial de aislante, y al hacerlo descubrieron que la corriente de transporte se mueve a través del interior del material, en lugar de en los bordes, como los científicos habían hecho durante mucho tiempo. ficticio.

El hallazgo proporciona nuevos conocimientos sobre el comportamiento de los electrones en los llamados aisladores Hall cuánticos anómalos y debería ayudar a resolver un debate que lleva décadas sobre cómo fluye la corriente en los aisladores Hall cuánticos más generales. Estos conocimientos servirán de base para el desarrollo de materiales topológicos para dispositivos cuánticos de próxima generación.

El artículo del equipo, "Visualización directa del transporte electrónico en un aislante de pasillo anómalo cuántico", se publicó el 3 de agosto en Nature Materials. El autor principal es Matt Ferguson, Ph.D. '22, actualmente investigador postdoctoral en el Instituto Max Planck de Física Química de Sólidos en Alemania.

El proyecto, dirigido por Katja Nowack, profesora asistente de física en la Facultad de Artes y Ciencias y autora principal del artículo, tiene su origen en lo que se conoce como efecto Hall cuántico. Descubierto por primera vez en 1980, este efecto se produce cuando se aplica un campo magnético a un material específico para desencadenar un fenómeno inusual: el interior de la muestra a granel se convierte en un aislante mientras una corriente eléctrica se mueve en una sola dirección a lo largo del borde exterior. Las resistencias se cuantifican, o se restringen, a un valor definido por la constante universal fundamental y caen a cero.

Un aislante Hall cuántico anómalo, descubierto por primera vez en 2013, logra el mismo efecto utilizando un material magnetizado. La cuantificación todavía se produce y la resistencia longitudinal desaparece, y los electrones se aceleran a lo largo del borde sin disipar energía, algo así como un superconductor.

Al menos esa es la concepción popular.

“La imagen donde la corriente fluye a lo largo de los bordes puede explicar muy bien cómo se obtiene esa cuantificación. Pero resulta que no es la única imagen que puede explicar la cuantificación”, dijo Nowack. “Esta imagen de borde ha sido realmente la dominante desde el espectacular aumento de los aislantes topológicos que comenzó a principios de la década de 2000. Las complejidades de las tensiones y corrientes locales se han olvidado en gran medida. En realidad, estos pueden ser mucho más complicados de lo que sugiere la imagen del borde”.

Se sabe que sólo un puñado de materiales son aislantes Hall anómalos cuánticos. Para su nuevo trabajo, el grupo de Nowack se centró en el telururo de bismuto y antimonio dopado con cromo, el mismo compuesto en el que se observó por primera vez el efecto Hall cuántico anómalo hace una década.

La muestra fue cultivada por colaboradores dirigidos por el profesor de física Nitin Samarth de la Universidad Estatal de Pensilvania. Para escanear el material, Nowack y Ferguson utilizaron el dispositivo de interferencia cuántica superconductora de su laboratorio, o SQUID, un sensor de campo magnético extremadamente sensible que puede funcionar a bajas temperaturas para detectar campos magnéticos increíblemente pequeños. El SQUID toma imágenes de manera efectiva de los flujos de corriente, que son los que generan el campo magnético, y las imágenes se combinan para reconstruir la densidad de corriente.

"Las corrientes que estamos estudiando son realmente pequeñas, por lo que es una medición difícil", dijo Nowack. “Y necesitábamos bajar la temperatura por debajo de un Kelvin para obtener una buena cuantificación en la muestra. Estoy orgulloso de haberlo logrado”.

Cuando los investigadores notaron que los electrones fluían en la mayor parte del material, no en los bordes límite, comenzaron a investigar estudios antiguos. Descubrieron que en los años posteriores al descubrimiento original del efecto Hall cuántico en 1980, hubo mucho debate sobre dónde se producía el flujo, una controversia desconocida para la mayoría de los científicos de materiales más jóvenes, dijo Nowack.

“Espero que la nueva generación que trabaja con materiales topológicos tome nota de este trabajo y reabra el debate. Está claro que ni siquiera entendemos algunos aspectos muy fundamentales de lo que sucede en los materiales topológicos”, afirmó. "Si no entendemos cómo fluye la corriente, ¿qué entendemos realmente sobre estos materiales?"

Responder a esas preguntas también podría ser relevante para construir dispositivos más complicados, como tecnologías híbridas que acoplan un superconductor a un aislante Hall cuántico anómalo para producir estados de la materia aún más exóticos.

“Tengo curiosidad por explorar si lo que observamos es cierto en diferentes sistemas materiales. Podría ser posible que en algunos materiales la corriente fluya, pero de manera diferente”, dijo Nowack. “Para mí, esto resalta la belleza de los materiales topológicos: su comportamiento en una medición eléctrica está dictado por principios muy generales, independientes de los detalles microscópicos. Sin embargo, es crucial comprender lo que sucede a escala microscópica, tanto para nuestra comprensión fundamental como para nuestras aplicaciones. Esta interacción de principios generales y matices más sutiles hace que el estudio de materiales topológicos sea tan cautivador y fascinante”.

Los coautores incluyen al estudiante de doctorado David Low; y los investigadores de Penn State Nitin Samarth, Run Xiao y Anthony Richardella.

La investigación fue apoyada principalmente por la Oficina de Ciencias Energéticas Básicas, División de Ciencias de Materiales e Ingeniería del Departamento de Energía de EE. UU.

El crecimiento de materiales y la fabricación de muestras fueron apoyados por el 2D Crystal Consortium – Materials Innovation Platform (2DCC-MIP), financiado por la National Science Foundation, en Penn State.

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