Vea También
 |
| Científicos descubren un comportamiento cuántico inesperado en la red de kagome |
Un equipo internacional dirigido por investigadores de la Universidad de Princeton ha descubierto un nuevo patrón de ordenamiento de la carga eléctrica en un nuevo material superconductor.
Los investigadores descubrieron el nuevo tipo de ordenamiento en un material que contiene átomos dispuestos en una estructura peculiar conocida como red de kagome. Si bien los investigadores ya comprenden cómo el espín del electrón puede producir magnetismo, estos nuevos resultados brindan información sobre la comprensión fundamental de otro tipo de orden cuántico, a saber, el magnetismo orbital, que aborda si la carga puede fluir espontáneamente en un bucle y producir magnetismo dominado por extendido movimiento orbital de electrones en una red de átomos. Tales corrientes orbitales pueden producir efectos cuánticos inusuales, como efectos Hall anómalos, y ser un precursor de la superconductividad no convencional a temperaturas relativamente altas. El estudio fue publicado en la revista Nature Materials.
"El descubrimiento de un nuevo orden de carga en un superconductor kagome con estructura de banda topológica que también se puede sintonizar a través de un campo magnético es un gran paso adelante que podría abrir nuevos horizontes en el control y aprovechamiento de la topología cuántica y la superconductividad para la futura física fundamental y la próxima investigación de dispositivos de generación", dijo M. Zahid Hasan, profesor de Física Eugene Higgins en la Universidad de Princeton, quien dirigió el equipo de investigación.
Las raíces del descubrimiento se encuentran en el funcionamiento de dos descubrimientos fundamentales en la década de 1980. Uno es el efecto Hall cuántico, un efecto topológico que ha sido objeto de investigaciones durante décadas. El efecto Hall fue el primer ejemplo de cómo una rama de las matemáticas teóricas, llamada topología, podría cambiar fundamentalmente la forma de describir y clasificar la materia que compone el mundo. En 1988, F. Duncan Haldane, profesor de física matemática Thomas D. Jones y profesor de física de la Universidad Sherman Fairchild, propuso importantes conceptos teóricos sobre el efecto Hall cuantificado en 1988, que recibió el premio Nobel en 2016.
El segundo precedente fue el descubrimiento del superconductor no convencional de alta temperatura que fue objeto del Premio Nobel en 1987. El estado inusual de estos superconductores ha desconcertado a los científicos. Varios teóricos propusieron importantes conceptos teóricos sobre las corrientes de bucle como precursor de la superconductividad no convencional a fines de la década de 1990. En ambos casos, la propuesta clave es que la carga pueda fluir en una red especial para producir efectos como el magnetismo orbital. Sin embargo, la realización experimental directa de un tipo tan especulativo de orden de carga cuántica electrónica es extremadamente desafiante.
"La realización del orden de carga del tipo de corriente orbital requeriría que los materiales tuvieran interacciones fuertes y geometrías de celosía especiales que se realizaron solo en los últimos años", dijo Hasan.
"La superconductividad a menudo sugiere inestabilidades para la carga del sistema, y se sabe que la red de kagome es un sistema de red frustrado", dijo Hasan. "Los superconductores kagome pueden formar varios órdenes de carga exóticos, incluido el orden de carga de tipo topológico relacionado con su estructura de banda global. Eso nos llevó a nuestra búsqueda en esta familia, aunque no estaba claro si esta superconductividad era poco convencional cuando comenzamos a trabajar en este material".
El equipo de investigadores de Princeton utilizó una técnica avanzada conocida como microscopía de túnel de barrido de resolución subatómica, que es capaz de sondear las funciones de onda electrónica y de giro del material a escala subatómica con una resolución de energía submilivoltio a temperaturas sub-Kelvin. En estas condiciones perfeccionadas, los investigadores descubrieron un nuevo tipo de orden de carga que exhibe quiralidad, es decir, orientación en una dirección particular, en AV3Sb5.
"La primera sorpresa fue que los átomos del material se reorganizan en una estructura de celosía de orden superior (superrejilla) que no se esperaba que estuviera allí en nuestros datos", dijo Yuxiao Jiang, un estudiante de posgrado en Princeton y uno de los primeros coautores del trabajo. "Tal superrejilla nunca se ha visto en ningún otro sistema kagome conocido por nosotros".
La superrejilla fue el primer indicio para los investigadores de que podría haber algo poco convencional en este material. Los investigadores aumentaron aún más la temperatura del material para encontrar que la superrejilla desaparecía por encima de la temperatura crítica de la fase oculta estimada a partir del comportamiento de transporte eléctrico de la mayor parte del material.
"Esta coherencia nos da la confianza de que lo que observamos es más probable que sea un fenómeno de pedidos masivos en lugar de un efecto de superficie", dijo Jia-Xin Yin, investigador asociado y otro coautor del estudio.
Hasan agregó: "Para un pedido de carga a granel, necesitamos examinar más a fondo si existe una brecha de energía y si la distribución de carga en el espacio real muestra alguna inversión a través de la brecha de energía".
Los investigadores pronto comprobaron ambos puntos para confirmar de nuevo que el orden de carga inesperado muestra una sorprendente inversión de carga a través de la brecha de energía, que también desaparece a la misma temperatura crítica. La evidencia experimental acumulada estableció que los investigadores observaron un orden de carga en un material kagome, que nunca se ha informado en ningún otro sistema kagome.
"Ahora estamos en condiciones de hacer la pregunta más importante: ¿puede ser un orden de carga topológica?", dijo Hasan.
Yin agregó: "Afortunadamente, a través de nuestra investigación sistemática de sistemas de celosía geométrica en los últimos años, hemos desarrollado una metodología de microscopía de túnel de barrido basada en campo magnético vectorial para explorar cualquier característica topológica potencial del material".
Fuentes, créditos y referencias:
Yu-Xiao Jiang et al, Unconventional chiral charge order in kagome superconductor KV3Sb5, Nature Materials (2021). DOI: 10.1038/s41563-021-01034-y