Nueva herramienta desenreda los estados electrónicos capa por capa en materiales cuánticos

Una nueva herramienta desarrollada por investigadores de la Escuela Pritzker de Ingeniería Molecular (PME) puede ayudar a revelar el origen de los estados electrónicos en materiales diseñados, un paso hacia el aprovechamiento de los materiales para futuras aplicaciones de tecnología cuántica.

La herramienta, desarrollada por el profesor Shuolong Yang y su equipo ayudarán a los investigadores a comprender mejor los aisladores topológicos magnéticos: materiales con características superficiales especiales que podrían hacerlos parte integral de las tecnologías de la ciencia de la información cuántica.

A través de una técnica llamada fotoemisión de dominio de frecuencia codificada por capas, los investigadores envían dos pulsos de láser a un material en capas.

Las vibraciones resultantes, junto con la medición de la energía, permiten a los investigadores armar una “película” que muestra cómo se mueven los electrones en cada capa.

“En nuestra vida diaria, cuando queremos comprender mejor un material, para comprender su composición o si es hueco, lo golpeamos”, dijo Yang.

“Este es un enfoque similar a nivel microscópico. Nuestra nueva técnica nos permite ‘tocar y escuchar’ materiales en capas, y nos permitió mostrar que un aislador topológico magnético en particular funciona de manera diferente a lo que predice la teoría”.

Comprender los materiales en capas es importante porque muchos científicos de materiales ahora diseñan y crean materiales a nivel atómico en un proceso capa por capa, combinando dos o más materiales para crear un nuevo material.

Construir estos materiales desde cero les permite crear materiales con nuevas propiedades para tecnologías futuras.

Cuando los científicos crearon el aislante topológico magnético de dos capas (MnBi₂Te₄)(Bi2Te₃) mediante la combinación de un material magnético con un material no magnético, desarrollaron un material con propiedades cuánticas exóticas.

Los electrones se mueven alrededor del perímetro de la superficie mientras mantienen su energía y sus propiedades cuánticas. Esta supercorriente podría usarse potencialmente para transmitir información almacenada en qubits en futuras computadoras cuánticas.

Debido a que estas capas son tan delgadas, del orden de unos pocos nanómetros, las herramientas tradicionales de caracterización de materiales, como la espectroscopia, no pueden distinguir entre las capas.

Si bien los electrones deberían moverse idealmente alrededor de la superficie del material magnético, los experimentos previos realizados por otros grupos mostraron que tal vez, en cambio, se deslizan alrededor del material no magnético.

Para comprender lo que sucede en las dos capas diferentes, la nueva herramienta primero envía un pulso infrarrojo de femtosegundo (o una milmillonésima de segundo).

Este pulso corto hace que las capas vibren de manera diferente, según su composición. Luego, los investigadores envían un segundo pulso de láser ultravioleta, que puede medir la energía y el impulso de los electrones en el material.

Juntas, las dos medidas pueden registrar el movimiento de los electrones a lo largo del tiempo.

“Es esencialmente una película en la escala de tiempo de femtosegundos”, dijo Yang. “Y nos permite saber qué electrones son de qué capa”.

Cuando aplicaron la técnica al material (MnBi₂Te₄)(Bi2Te₃), encontraron que el estado electrónico especial no estaba en la capa magnética, lo que desafía las predicciones teóricas.

Pero debido a que el material habría mejorado drásticamente las propiedades cuánticas si esta supercorriente se encontrara dentro de la capa magnética, Yang y su equipo motivaron a la comunidad de investigación en general a volver a la mesa de dibujo para rediseñar el material.

Yang dice que esta técnica también podría usarse para comprender mejor otros materiales especiales, como los superconductores topológicos y los llamados twistrónicos, materiales en capas que se unen en ángulo de cierta manera para producir un comportamiento electrónico diferente.

“Cuando crea nuevos materiales para aplicaciones futuras, es importante que tenga un ciclo de retroalimentación entre la síntesis y la caracterización”, dijo.

“Eso guiará la próxima iteración de síntesis y nos ayudará a llenar el vacío tecnológico”.

Fuente: The University of Chicago