Los científicos han estado utilizando aisladores topológicos para demostrar efectos cuánticos durante más de una década, pero...
Física cuántica y topología: juntos
En los últimos años, el estudio de la topología.Los estados de la materia han atraído la atención de físicos e ingenieros de todo el mundo. Este campo de estudio combina la física cuántica con la topología, una rama de las matemáticas teóricas que estudia propiedades geométricas que pueden deformarse pero no cambiarse esencialmente. Las propiedades topológicas de la materia son importantes tanto desde el punto de vista de la física fundamental como para aplicaciones en ingeniería cuántica y nanotecnología de próxima generación.
Base de la topología cuántica
El componente principal del dispositivo utilizado paraInvestigación sobre los misterios de la topología cuántica: aislante topológico. Este dispositivo único actúa como aislante en el interior, lo que significa que los electrones del interior no pueden moverse libremente y, por lo tanto, no conducen electricidad.
Pero los electrones en los bordes del dispositivo son libres dese mueven y por lo tanto son conductores. Gracias a las propiedades especiales de la topología, los electrones que fluyen a lo largo de los bordes no se ven afectados por defectos o deformaciones. El nuevo dispositivo no sólo podría mejorar las tecnologías futuras, sino también proporcionar una comprensión más profunda de la materia misma mediante la exploración de sus propiedades electrónicas cuánticas.
¿Cuál es el problema?
Todavía usando materiales y dispositivos.para aplicaciones reales en dispositivos funcionales fue problemático. Todo debido a las duras condiciones de la topología cuántica. Sí, actualmente existe un gran interés por los materiales topológicos y la gente suele hablar de su gran potencial para aplicaciones prácticas. Pero hasta que algún efecto topológico cuántico macroscópico se manifieste a temperatura ambiente, todo esto seguirá siendo sólo un sueño.
El problema es que el medio ambiente o la altaLas temperaturas crean lo que los físicos llaman "ruido térmico". En palabras simples, se trata de un aumento de temperatura en el que los átomos comienzan a vibrar fuertemente. Esto puede alterar el funcionamiento de sistemas cuánticos sutiles, destruyendo así el propio estado cuántico.
En particular, en aisladores topológicos estosLas temperaturas más altas crean una situación en la que los electrones de la superficie del aislante penetran en el interior del aislante. Esto hace que los electrones conduzcan corriente, lo que debilita o destruye el efecto cuántico especial.
¿Hay alguna forma de evitar esto?
Sí, realizando tales experimentos en condicionestemperaturas excepcionalmente bajas, aproximadamente en el cero absoluto. A estas temperaturas increíblemente bajas, las partículas atómicas y subatómicas dejan de vibrar y, por tanto, son más fáciles de manipular. Sin embargo, crear y mantener un ambiente ultrafrío no es práctico para muchas aplicaciones; es caro, engorroso y requiere una enorme cantidad de energía.
¿Qué han hecho los científicos?
Los físicos han desarrollado una forma innovadora de eludirproblema. Crearon un nuevo tipo de aislante topológico a partir de bromuro de bismuto (fórmula química α-Bi 4 Br 4). Es un compuesto cristalino inorgánico que a veces se utiliza para la purificación del agua y pruebas químicas. Como señalan los autores del estudio, el material no requiere una presión enorme ni un campo magnético ultra alto.
En su estudio, los científicos se basaron enEl efecto Hall cuántico es una forma de efecto topológico descubierto por Klaus von Klitzing en 1980, por el que recibió el Premio Nobel cinco años después. Desde entonces, las fases topológicas se han estudiado intensamente. Los científicos han descubierto muchas clases nuevas de materiales cuánticos con estructuras electrónicas topológicas, incluidos aislantes topológicos, superconductores topológicos, imanes topológicos y semimetales de Weyl. Su espectro electrónico es un análogo tridimensional del espectro del grafeno.
La última pieza del rompecabezas
Para lograr la cuantificación a temperatura ambiente, los científicos utilizaron la red Kagome.
El término red Kagome fue acuñado por un físico japonés.Apareció por primera vez en un artículo de 1951 escrito por Ishiro Shoji bajo la dirección de Fushimi. La red de kagomes consta de los vértices y aristas de un mosaico trihexagonal. A diferencia del nombre, estas intersecciones no forman una red matemática. A su vez, un mosaico trihexagonal es uno de los 11 mosaicos homogéneos en el plano euclidiano formado por polígonos regulares. El mosaico consta de triángulos regulares y hexágonos regulares, dispuestos de manera que cada hexágono esté rodeado por triángulos y viceversa. El nombre del mosaico proviene del hecho de que combina un mosaico hexagonal regular y un mosaico triangular regular.
Aisladores topológicos en una red Kagome.puede diseñarse para tener cruces de bandas relativistas y fuertes interacciones electrón-electrón. Ambos son necesarios para un nuevo tipo de magnetismo.
Kagome de celosía. Autor: N.Mori
Entonces los científicos se dieron cuenta de que los imanes Kagome sonun sistema prometedor para la búsqueda de fases magnéticas topológicas. Ellos mismos son similares a los aislantes topológicos: todo es cuestión de una química atómica y un diseño estructural adecuados.
¿Adónde lleva?
Los investigadores creen que su avance conducirá al desarrollo de la tecnología cuántica y la nanotecnología.
La creación de un nuevo aislante tendrá un impacto particularpara el desarrollo de tecnologías cuánticas de próxima generación. Los investigadores también creen que el avance acelerará el desarrollo de materiales cuánticos más eficientes y "verdes".
Que sigue
Según los científicos, ahora el enfoque teórico y experimental del equipo de investigación se concentra en dos direcciones.
Primero, los científicos quieren entender qué otrosLos materiales topológicos pueden funcionar a temperatura ambiente. Y, lo que es más importante, proporcionar a otros expertos herramientas y nuevas técnicas de medición para identificar materiales que funcionarán a temperaturas ambiente y altas.
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