Los electrones en un cristal exhiben giros cuánticos enlazados y anudados

Los electrones en un cristal exhiben giros cuánticos enlazados y anudados


20 de mayo de 2022

(Noticias de Nanowerk) A medida que los físicos profundizan en el reino cuántico, descubren un mundo infinitesimal formado por una extraña y sorprendente serie de conexiones, nudos y espirales. Algunos materiales cuánticos exhiben vórtices magnéticos llamados skyrmions, configuraciones únicas descritas como «ciclones subatómicos». Otros albergan una forma de superconductividad que se tuerce en vórtices.

Pues bien, en un artículo publicado en Naturaleza («Observación de un estado cuántico de bucle enlazado en un imán topológico»), un equipo de físicos dirigido por Princeton ha descubierto que los electrones en la materia cuántica pueden conectarse entre sí de formas nuevas y extrañas. El trabajo reúne ideas de tres campos científicos (física de materia condensada, topología y teoría de nudos) de nuevas formas y plantea preguntas inesperadas sobre las propiedades cuánticas de los sistemas electrónicos.

La topología es la rama de las matemáticas teóricas que estudia las propiedades geométricas que pueden deformarse pero no alterarse intrínsecamente. Los estados cuánticos topológicos llamaron la atención del público por primera vez en 2016 cuando tres científicos, incluido Duncan Haldane, profesor de física matemática Thomas D. Jones en Princeton y profesor de física en la Universidad Sherman Fairchild, recibieron el Premio Nobel por su predicción teórica de topología de materiales electrónicos.

Desde entonces, los investigadores han intentado expandir este campo de investigación para proporcionar una comprensión más profunda de la mecánica cuántica, como en el campo de la «topología cuántica», que intenta explicar el estado de un electrón descrito por una propiedad llamada función de onda. . Este fue el catalizador que condujo a la investigación actual, dijo M. Zahid Hasan, profesor de Física Eugene Higgins en la Universidad de Princeton y autor principal del estudio. Diagrama de conexión de la conexión electrónica cuántica en el espacio de momento observado en el imán topológico de Weyl Co2MnGa Diagrama de conexión de la conexión electrónica cuántica en el espacio de momento (espacio de velocidad) observado en el imán topológico de Weyl Co2MnGa determinado a partir de mediciones de espectroscopia de fotoemisión avanzada. (Imagen: Ilya Belopolski y M. Zahid Hasan, Universidad de Princeton)

«Estudiamos las propiedades relacionadas con la forma de las funciones de onda de los electrones», dijo Hasan. «Y ahora hemos llevado el campo a una nueva frontera».

El bloque de construcción esencial de esta nueva frontera es una estructura mecánica cuántica conocida como bucle de Weyl, en la que las funciones de onda de electrones sin masa están envueltas en un cristal.

En un trabajo seminal anterior publicado en Ciencia En 2019 («Descubrimiento de las líneas topológicas de fermiones de Weyl y los estados de la superficie del parche en un imán a temperatura ambiente»), los bucles de Weyl sin masa se encontraron en un compuesto de cobalto, manganeso y galio con la fórmula química Co2MnGa. Esta investigación fue dirigida por Hasan e incluyó a muchos de los autores del nuevo estudio. Fue entonces cuando entendieron que los bucles de Weyl sin masa producen comportamientos exóticos bajo campos eléctricos y magnéticos aplicados. Este comportamiento persistió hasta temperatura ambiente.

Un bucle de Weyl en sí mismo es un ejemplo del tipo de devanado de función de onda cuántica que ya es bien conocido.

«Los ejemplos anteriores de topología en física a menudo involucraban el devanado de funciones de onda mecánicas cuánticas», dijo Hasan, quien dirigió la investigación actual. «Estos han sido el foco de atención de la comunidad física durante al menos la última década».

Estas ideas se derivan del trabajo previo del equipo sobre cristales de rodio y silicio (RhSi) y materiales llamados imanes de Chern, compuestos por los elementos terbio, magnesio y estaño (TbMn6sn6). Ambos descubrimientos fueron dirigidos e informados por el grupo del profesor Hasan. Naturaleza en 2019 («Cristales quirales topológicos con estados cuánticos en forma de arco helicoidal») y luego en Naturaleza en 2020 («Magnetismo topológico de Chern de límite cuántico en TbMn6sn6«).

Sin embargo, el caso de Co2Resultó que MnGa difiere de los devanados de función de onda considerados en las teorías topológicas convencionales. «Aquí tenemos bucles vinculados en su lugar: nuestra topología anudada recién descubierta es de una naturaleza diferente y conduce a diferentes números de enlace matemático», dijo Tyler Cochran, estudiante graduado en el Departamento de Física de Princeton y coautor del nuevo estudio.

El co2Los materiales de MnGa fueron cultivados por la profesora Claudia Felser y su equipo en el Instituto Max Planck de Física Química de Sólidos en Alemania.

Una idea clave se produjo cuando el equipo de Princeton calculó y entendió que ciertos materiales cuánticos como el Co2MnGa podría albergar múltiples bucles de Weyl simultáneamente. «Obviamente, cuando coexisten múltiples bucles de Weyl, surge la pregunta de si pueden conectarse y anudarse de una manera específica», dijo Hasan.

Este hallazgo del equipo de Hasan generó preguntas fundamentales sobre los bucles de Weyl enlazados y reunió a un equipo de expertos de todo el mundo en los campos de espectroscopia de fotoemisión, topología matemática, síntesis de materiales cuánticos y cálculos cuánticos de primer principio para comprender mejor la topología de enlace y los nudos en materia cuántica para entender.

¿Qué es un nudo para gustar?

Para observar la conexión de forma experimental, el equipo internacional trabajó en conjunto durante más de cinco años, ampliando su trabajo anterior sobre imanes topológicos. El equipo realizó experimentos avanzados de espectroscopia de fotoemisión en instalaciones de última generación de radiación sincrotrón en los Estados Unidos, Suiza, Japón y Suecia.

«Resultó ser un acertijo intrigante que nos interesó durante un tiempo», dijo Ilya Belopolski, autor principal del estudio, ex estudiante de posgrado en el laboratorio de Hasan en la Universidad de Princeton y ahora becario postdoctoral en el Centro RIKEN para la Ciencia de la Materia Emergente. cerca de Tokio, Japón. «Desentrañar las complejidades de esta intrincada estructura cuántica interconectada tomó más de tres años de mediciones de alta precisión y ultra alta resolución en las principales instalaciones espectroscópicas del mundo».

El análisis de los datos experimentales reveló un objeto contrario a la intuición que se pliega sobre sí mismo y envuelve un toro de dimensiones superiores.

«Comprender la estructura del objeto requería un nuevo puente entre la mecánica cuántica, la topología matemática y la teoría de nudos», dijo Guoqing Chang, autor del estudio, que ahora es profesor asistente de física en la Universidad Tecnológica de Nanyang en Singapur.

Ex investigador postdoctoral que trabajó con Hasan en Princeton, Chang dirigió uno de los primeros estudios teóricos sobre la topología de enlaces en un artículo fundamental en 2017. Cartas de verificación física («Estados semimetálicos topológicos Hopf y Chain Link y su aplicación a Co2MnGa»).

De hecho, el equipo de investigación descubrió que la teoría cuántica de materiales existente no podía explicar adecuadamente la formación de esta estructura. Pero se dieron cuenta de que la teoría del nudo podría contener algunas pistas.

«Nos dimos cuenta de que algunos aspectos de la teoría de nudos son muy poderosos para explicar las propiedades cuánticas de los materiales topológicos que no se entendían previamente», dijo Hasan. «Este es el primer ejemplo conocido en el que se ha aplicado la teoría de nudos para comprender el comportamiento de los imanes topológicos. ¡Y eso es muy emocionante!”.

Los resultados continúan y amplían el diálogo de décadas entre la física y la topología, esta vez introduciendo nuevas ideas matemáticas para explicar los experimentos sobre ferromagnetos cuánticos.

“Históricamente, algunos de los descubrimientos científicos más importantes surgieron cuando la gente notó nuevas conexiones entre las matemáticas y los fenómenos naturales. Siempre es emocionante encontrar ejemplos inesperados de matemáticas sutiles en nuestros experimentos», dijo Hasan. «Fue aún más interesante que la conexión matemática estaba en el área de la topología, que surge una y otra vez en diferentes formas cuando se investigan materiales cuánticos».

Los investigadores tienen la intención de expandir su investigación en varias direcciones. Aunque Hasan y su equipo centraron sus esfuerzos en el comportamiento de los imanes topológicos, afirman que la teoría tiene el potencial de ayudar a explicar otros comportamientos cuánticos. «Creemos que la teoría de nudos también se puede aplicar a muchos otros conductores topológicos, superconductores, qubits y muchas otras cosas», dijo.

Y aunque los investigadores no pensaron en aplicaciones prácticas, «estuvimos involucrados en la investigación básica», señaló Hasan, sus hallazgos podrían ayudar en el desarrollo de la computación cuántica, particularmente en el desarrollo de nuevos qubits topológicos.

El equipo de colaboradores también incluyó investigadores del Departamento de Matemáticas de Princeton, el Centro de Imágenes y Análisis de Princeton, el Instituto Max Planck de Física Química de Sólidos, el Instituto Paul Scherrer, el Instituto Indio de Tecnología, la Universidad Nacional Sun Yat-Sen, Laboratorio MAX IV de la Universidad de Lund, fuente de luz de radiación de sincrotrón de Stanford en el Laboratorio Nacional del Acelerador SLAC y Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley.



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