Se descubre la existencia de una nueva forma de material electrónico
Los investigadores han desarrollado una demostración a «escala humana» de una nueva fase de la materia llamada aisladores topológicos cuadripolares que se predijo recientemente utilizando la física teórica. Estos son los primeros hallazgos experimentales para validar esta teoría.
Los investigadores informan sobre sus hallazgos en la revista Nature.
El trabajo del equipo con QTIs nació de la comprensión de las propiedades de una clase de materiales llamados aislantes topológicos. «Las TI son aislantes eléctricos en el interior y conductores a lo largo de sus límites, y pueden tener un gran potencial para ayudar a construir computadoras y dispositivos robustos de baja potencia, todos ellos definidos a escala atómica», dijo el profesor de ciencias mecánicas e ingeniería e investigador principal Gaurav Bahl.
Las propiedades poco comunes de las IT las 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 familiares sólidas, líquidas y gaseosas como el agua, pero a veces también pueden formar fases más inusuales como una IT», dijo la coautora y profesora de Física Taylor Hughes.
Las IT típicamente existen en materiales cristalinos y otros estudios confirman que las fases de IT están presentes en cristales naturales, pero aún hay muchas predicciones teóricas que necesitan ser confirmadas, señaló Hughes.
Una de estas predicciones fue la existencia de un nuevo tipo de IT con una propiedad eléctrica conocida como momento cuadrupolar. «Los electrones son partículas únicas que transportan carga en un material», dijo el estudiante de física Wladimir Benalcazar. «Encontramos que los electrones en los cristales se pueden organizar colectivamente para dar lugar no sólo a la carga de las unidades dipolo – es decir, emparejamientos de cargas positivas y negativas – sino también multipolo de alto orden en el que cuatro u ocho cargas se juntan en una unidad. El miembro más simple de estas clases superiores son los cuadrúpolos en los que dos cargas positivas y dos negativas están acopladas».
Actualmente no es factible diseñar un átomo material por átomo, mucho menos controlar el comportamiento cuadrupolar de los electrones. En su lugar, el equipo construyó un análogo a escala viable de un QTI utilizando un material creado a partir de placas de circuitos impresos. Cada placa de circuito tiene un cuadrado de cuatro resonadores idénticos, dispositivos que absorben la radiación electromagnética a una frecuencia específica. Las tarjetas están dispuestas en un patrón de cuadrícula para crear el cristal completo analógico.
«Cada resonador se comporta como un átomo, y las conexiones entre ellos se comportan como enlaces entre átomos», dijo Kitt Peterson, autor principal y estudiante graduado en ingeniería eléctrica. «Aplicamos radiación de microondas al sistema y medimos cuánto absorbe cada resonador, lo que nos dice cómo se comportarían los electrones en un cristal análogo. Cuanto más radiación de microondas es absorbida por un resonador, más probable es encontrar un electrón en el átomo correspondiente».
El detalle que hace que esto sea una QTI y no una TI es resultado de los detalles específicos de las conexiones entre los resonadores, apuntaron los investigadores.
«Los bordes de un QTI no son conductores como se vería en una TI típica», dijo Bahl, «sino que sólo las esquinas están activas, es decir, los bordes de los bordes, y son análogos a las cuatro cargas de puntos localizados que formarían lo que se conoce como un momento cuadrupolar». Exactamente como Taylor y Wladimir predijeron».
«Medimos cuánta radiación de microondas absorbía cada resonador dentro de nuestro QTI, confirmando los estados resonantes en un rango de frecuencia preciso y localizados precisamente en las esquinas», dijo Peterson. «Esto apuntaba a la existencia de estados protegidos predichos que serían llenados por electrones para formar cuatro cargas angulares.»
Esas cargas de esquina de esta nueva fase de la materia electrónica pueden ser capaces de almacenar datos para las comunicaciones y la computación. «Eso puede no parecer realista usando nuestro modelo a’escala humana'», dijo Hughes. «Sin embargo, cuando pensamos en QTIs a escala atómica, se hacen evidentes tremendas posibilidades para dispositivos que realizan computación y procesamiento de información, posiblemente incluso a escalas inferiores a las que podemos alcanzar hoy en día».
Los investigadores dijeron que el acuerdo entre el experimento y la predicción ofrecía la promesa de que los científicos están comenzando a entender la física de las QTI lo suficientemente bien para su uso práctico.
«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 los ingenieros ayudó a convertir nuestra predicción en realidad.»
La Fundación Nacional de Ciencias y la Oficina de Investigación Naval de los Estados Unidos apoyaron este estudio.
