Una "firma superficial" recientemente descubierta de materiales conocidos como aislantes topológicos de orden superior podría facilitar su identificación, una tarea que ha resultado desafiante hasta ahora. La técnica, que fue desarrollada por investigadores de Estados Unidos, Francia, China e Irlanda, implicaría medir los cambios en la polarización de un haz de luz entrante a medida que se refleja en la superficie del material. Aunque aún no se ha demostrado experimentalmente, la técnica podría resultar útil para desarrollar computadoras cuánticas y dispositivos espintrónicos que exploten las propiedades de estos materiales inusuales.

Descubiertos en 2008, los aislantes topológicos son materiales que conducen muy bien la electricidad a lo largo de sus bordes o superficies mientras actúan como aislantes en su mayor parte. En algunos aisladores topológicos, la corriente eléctrica en estado de borde induce una corriente de espín transversal. Estos materiales se conocen como sistemas Hall de espín cuántico por analogía con el efecto Hall cuántico más conocido, en el que fuertes campos magnéticos inducen que la corriente eléctrica fluya a lo largo del borde de un semiconductor.

Dentro de los estados de borde de un aislante topológico, los electrones sólo pueden viajar en una dirección. A diferencia de los conductores normales, no se retrodispersan. Este notable comportamiento permite a los aisladores topológicos transportar corriente eléctrica con una disipación cercana a cero, una propiedad que atrae un interés considerable entre los desarrolladores de dispositivos electrónicos, que esperan explotarla para hacer que dichos dispositivos sean mucho más eficientes energéticamente de lo que son hoy.

Durante la última década, han surgido materiales topológicos adicionales (incluidos los semimetales de Dirac, los semimetales de Weyl y los aislantes axiónicos) con propiedades aún más extrañas. Más recientemente, se ha teorizado que existen materiales que son aislantes en su mayor parte, en sus superficies y a lo largo de sus bordes, pero conductores en las bisagras o esquinas. Los estados bisagra en estos llamados aislantes topológicos de orden superior (HOTI) son interesantes para el estudio de la espintrónica porque la dirección de propagación de los electrones en ellos está relacionada con el espín de los electrones. Los HOTI también son prometedores para los fermiones de Majorana, que tienen aplicaciones en la computación cuántica tolerante a fallos, siempre que se pueda demostrar definitivamente su existencia.

Difícil de distinguir de otros efectos.

En principio, los HOTI son muy distintivos porque sólo conducen electricidad a lo largo de líneas unidimensionales en su superficie, es decir, a lo largo del límite de una frontera. En la práctica, sin embargo, son difíciles de detectar porque otros fenómenos (incluidos los defectos cristalinos en una muestra) pueden producir firmas experimentales similares. Para complicar las cosas, se predice que las propiedades HOTI sólo ocurrirán en materiales con un grado inusualmente alto de simetría, explica. Barry Bradlyn, físico de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, EE. UU., quien codirigió el nuevo estudio. "Esto requiere estructuras cristalinas que sean irrealmente perfectas y, hasta ahora, sólo un puñado de materiales, incluido el elemento bismuto, han demostrado firmas experimentales consistentes con esta categoría de material", dice Bradlyn.

En su trabajo, que se detalla en Nature Communications, Bradlyn y sus colegas analizaron los electrones que se propagan a través de la mayor parte de un HOTI, centrándose en el espín de los electrones, que puede ser hacia arriba o hacia abajo. Si se aplicara un voltaje eléctrico a la muestra, estos dos estados de espín se acumularían en lados opuestos. Los investigadores calcularon que esta configuración de espín produciría una firma mensurable mediante un fenómeno conocido como efecto Kerr magnetoóptico, en el que la polarización de un haz de luz entrante cambia cuando se refleja en la superficie de una muestra.

Según los cálculos del equipo, el cambio de polarización resultante de cada estado de giro en la superficie de un material HOTI sería exactamente la mitad del esperado para una superficie aislante 2D ordinaria. "Esta respuesta 'resuelta por giro' en la superficie es emocionante", dice Bradlyn, "ya que proporciona la primera predicción de una firma experimental sólida para los materiales HOTI".

Las propiedades de los HOTI que el equipo identificó en este trabajo podrían ser muy útiles en la computación cuántica y en los dispositivos espintrónicos, continúa Bradlyn, aunque los investigadores necesitarían verlos primero en un experimento. "Esperamos que nuestro estudio muestre que el interior y las superficies de los materiales topológicos todavía albergan muchas características misteriosas y ventajosas si se sabe buscarlas", afirma.

Los investigadores ahora están intentando ampliar su formalismo para analizar aisladores cristalinos topológicos protegidos por otras simetrías. "También estudiaremos sistemas superconductores", dice Bradlyn. Mundo de la física.

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• Fuente: https://physicsworld.com/a/surface-signature-could-distinguish-exotic-topological-insulators/