Un equipo internacional de investigadores dirigido por el Laboratorio de Transporte Cuántico de Fuerte Correlación del Centro de Reconocimiento para Ciencias de la Materia Emergente (CEMS) ha demostrado una primicia mundial, un semímetro Weyl ideal, un material cuántico de una década de antigüedad. Se ha identificado un avance en el problema.
Weyl Fremans surgen como excitaciones cuánticas colectivas de electrones en cristales. Se prevé que exhibirán propiedades electromagnéticas exóticas y atraerán un intenso interés en todo el mundo. Sin embargo, a pesar del estudio cuidadoso de miles de cristales, la mayoría de los materiales Weyl hasta la fecha exhiben una conductividad eléctrica fuertemente dominada por electrones menores no deseados, lo que oscurece el Weyl Freman. Finalmente, los investigadores han sintetizado un material que alberga un par de valencias libres y ningún estado electrónico no correlacionado.
Trabajo publicado esta semana. la naturalezanacido de más de cuatro años de colaboración entre el CEMS de la Universidad de Tokio, el Programa de Ciencias Matemáticas y Teóricas Interdisciplinarias Recon (ITHEMS), el Centro de Electrónica de Fase Cuántica (KPEC), el Instituto de Investigación de Materiales Tohoku de la Universidad y Nanyang Technological Universidad de Singapur. Los investigadores diseñaron un semiconductor topológico a un semimetal, revisando una estrategia que se propuso teóricamente por primera vez en 2011, pero luego fue abandonada y en gran medida olvidada por la comunidad.
Los semiconductores tienen una pequeña “brecha de energía” que les hace cambiar entre los estados aislante y conductor, que forman la base del transistor comercial. Los semimetales pueden verse como una especie de límite extremo de los semiconductores con una “brecha energética” cero, justo en el umbral entre un aislante y un metal. Este caso extremo sigue siendo extremadamente raro en materiales reales. Quizás el ejemplo más famoso sea el grafeno, que ha encontrado aplicaciones en la física muaré y la electrónica flexible.
El semiconductor topológico utilizado en el presente estudio es telururo de bismuto, BI.23. Los investigadores ajustaron la composición química del material de forma muy controlada, sustituyendo el cromo por bismuto para crearlo (CR, BI).23. Según Ryota Watanabe, Ph.D. estudiante y co-primer autor de este estudio, “Lo primero que nos interesó fue el efecto Hall de gran anomalía (AHE) (CR, BI).23que indicó una nueva física más allá de los semiconductores topológicos.23 El uso de una teoría precisa nos permitió explicar cuantitativamente nuestros experimentos. Luego podemos rastrear el AHE más grande hasta los marcos de valles emergentes. “
El primer autor del CEMS, Ilya Belopolsky, recuerda que el hallazgo fue un shock tanto para él como para sus colegas de todo el mundo. “Diferentes comunidades ya habían establecido los conocimientos teóricos y experimentales clave necesarios para sintetizar esta semiverdad de Weyl. Pero no parecíamos comunicarnos entre nosotros, por lo que nos perdimos el descubrimiento. Retírese. Yo, debería haber sido hace aproximadamente una década.
En cuanto a por qué esta idea surgió finalmente en Recon, Belopolsky atribuye el mérito a la combinación única de investigadores brillantes, generosa financiación para la investigación y el dinámico entorno intelectual del CEM. “Ha habido muchos grupos de investigación talentosos en los Estados Unidos, China y en toda Europa trabajando en temas relacionados durante muchos años. El descubrimiento aquí se debe al entorno altamente creativo y colaborativo de Recon”.
Una aplicación potencial son los dispositivos de terahercios (THZ). Los semiconductores sólo pueden absorber fotones con energías mayores que estas brechas de energía, que normalmente excluyen el rango de frecuencia THZ. Según Yuki Sato, investigador postdoctoral y coautor del trabajo, “a diferencia de los semiconductores, los semimetales tienen una brecha de energía que desaparece, por lo que pueden absorber luz de baja frecuencia, hasta frecuencias de THz. Actualmente tenemos nuestro interés en aplicar empuñaduras ideales para la generación y detección de luz THZ”.
El equipo prevé realizar más investigaciones sobre sensores de alto rendimiento, electrónica de bajo consumo y nuevos dispositivos optoelectrónicos. El investigador postdoctoral Lexuan Tai, que se unió al Laboratorio de Transporte Cuántico de Correlación Fuerte cuando el trabajo se acercaba a su publicación, expresó su entusiasmo por la investigación a corto plazo a través de esta nueva fase cuántica de la materia. “Esto hace que sea un momento especialmente emocionante para unirse a este equipo de investigación, porque tener un semimetro real de Vail disponible para nosotros después de todos estos años seguramente permitirá muchos avances interesantes”.
