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Investigadores demuestran la existencia de una nueva forma de materia electrónica

Investigadores han demostrado a “escala humana” una nueva fase de la materia llamada aislantes topológicos cuadrúpolo (QTI), que fue recientemente predicha utilizando la física teórica. Este es el primer descubrimiento experimental que validan la teoría.

Dicho estudio fue publicado en la revista Nature.

Kitt Peterson (izquierda) seguido por; Taylor Hughes, Wladimir Benalcazar, y Gaurav Bahl.
Kitt Peterson (izquierda) seguido por; Taylor Hughes, Wladimir Benalcazar, y Gaurav Bahl (Foto: Universidad de Illinois)

El trabajo del equipo con QTI nació de la comprensión de las propiedades de una clase de materiales llamados aislantes topológicos (TI), estudios realizados desde hace más de una década. Los TI son materiales que se comportan como aislantes eléctricos en su interior, pero cuya superficie contiene estados dirigidos, lo que significa que los electrónes solo pueden moverse a lo largo de la superficie del material. “Pueden tener un gran potencial para ayudar a construir computadoras y dispositivos robustos y de baja potencia, todos definidos a escala atómica”, dijo Gaurav Bahl, investigador principal, y profesor de ciencia mecánica e ingeniería en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign.

Las propiedades poco comunes de los TI los convierten en una forma especial de materia electrónica. “Las colecciones de electrones pueden formar sus propias fases dentro de los materiales. Estas pueden ser fases sólidas, líquidas y gaseosas, como el agua, pero a veces también puede formar fases más inusuales como una TI”, dijo el coautor y profesor de física Taylor Hughes.

Los TI existen típicamente en materiales cristalinos, y otros estudios confirman que las fases de TI están presentes en cristales naturales, pero aún quedan muchas predicciones teóricas que deben ser confirmadas, dijo Hughes.

Una de las predicciones fue la existencia de un nuevo TI que tiene una propiedad eléctrica conocida como momento cuadrupolar. “Los electrones son partículas individuales que llevan carga en un material”, dijo el estudiante de física graduado Wladimir Benalcazar. “Encontramos que los electrones en cristales pueden organizarse colectivamente para dar lugar no solo a unidades dipolo, es decir, emparejamientos de cargas positivas y negativas, sino también a multipolos de alto orden en los que se unen cuatro u ocho cargas en una unidad. El miembro más simple de estas clases de orden superior son los cuadrúpolo en los que dos cargas positivas y dos negativas están acopladas”.

Un momento dipolo, puede ser representado por dos cargas, una positiva y otra negativa, separados en una dimensión. Un momento cuadrúpolo puede ser representado por cuatro cargas separadas en dos dimensiones.
Un momento dipolo, puede ser representado por dos cargas, una positiva y otra negativa, separados en una dimensión. Un momento cuadrúpolo puede ser representado por cuatro cargas separadas en dos dimensiones.

Actualmente no es posible diseñar un material átomo por átomo, y mucho menos controlar el comportamiento cuadrupolar de los electrones. En cambio, el equipo construyó un análogo de QTI a escala funcional a partir de un material creado a partir de placas de circuitos impresos. Cada placa de circuito contiene un cuadrado de cuatro resonadores idénticos, dispositivos que absorben radiación electromagnética a una frecuencia específica. Las tablas están dispuestas en un patrón de cuadrícula para crear un análogo de cristal completo.

“Cada resonador se comporta como un átomo, y las conexiones entre ellos se comportan como enlaces entre los átomos”, dijo Kitt Peterson, el autor principal y estudiante graduado de ingeniería eléctrica. “Aplicamos radiación de microondas al sistema y medimos cuánto es absorbido por cada resonador, lo que nos dice cómo se comportarían los electrones en un cristal análogo. Cuanta más radiación de microondas absorbe un resonador, más probabilidades hay de encontrar un electrón en el átomo correspondiente”.

El detalle que hace de esto un QTI y no un TI es el resultado de las conexiones específicas entre los resonadores, dijeron los investigadores.

“Los márgenes del QTI no son conductivos como se vería en un típico TI”, dijo Bahl. “En cambio, solo las esquinas están activas, es decir, los bordes de los bordes, y son análogas a los cuatro puntos localizados que forma lo que se conoce como un momento cuadripolar. Exactamente como lo predijeron Taylor y Wladimir”.

“Medimos cuánta radiación de microondas absorbe cada resonador dentro de nuestro QTI, confirmando los estados de resonancia en un rango de frecuencia preciso y ubicado precisamente en las esquinas”, dijo Peterson. “Esto apuntó a la existencia de estados protegidos predichos que serían llenados por electrones para formar cuatro cargas  de esquina”.

Esas esquinas de carga, de esta nueva fase de la materia electrónica, pueden ser capaces de almacenar datos para comunicaciones y computación. “eso puede no parecer realista usando nuestro modelo de ‘escala humana'”, dijo Hughes. “Sin embargo, cuando pensamos en los QTI en escala atómica, se hacen evidentes enormes posibilidades para los dispositivos que procesan información, posiblemente a escalas inferiores a las que podemos alcanzar hoy”.

“Como físicos teóricos, Wladimir y yo podríamos predecir la existencia de esta nueva forma de materia, pero hasta ahora no se ha encontrado ningún material que tenga estas propiedades”, dijo Hughes. “Colaborar con ingenieros ayudó a convertir nuestra predicción en realidad”, concluyó.