En un estudio publicado en Comunicaciones de la naturaleza El 19 de junio, un equipo de científicos dirigido por Qimiao Si de la Universidad Rice predijo la existencia de bandas electrónicas planas en el nivel de Fermi, un hallazgo que podría permitir la computación cuántica y nuevas formas de dispositivos electrónicos.
La materia cuántica se rige por los principios de la mecánica cuántica, donde los electrones ocupan estados energéticos únicos. Estos estados forman una escalera con un peldaño más alto llamado energía de Fermi.
Los electrones, al estar cargados, se repelen y se mueven de forma correspondiente. El equipo de Si descubrió que las interacciones de los electrones pueden crear nuevas bandas planas en el nivel de Fermi, aumentando su importancia.
“La mayoría de las bandas planas están ubicadas lejos de la energía de Fermi, lo que limita su impacto en las propiedades de los materiales”, dijo See, profesor de Física y Astronomía Harry C. y Olga K. Weiss en Rice.
En general, la energía de una partícula cambia con su velocidad. Pero en la mecánica cuántica, los electrones pueden exhibir un entrelazamiento cuántico, donde su energía permanece plana incluso cuando cambia su velocidad. Se les conoce como bandas planas.
“Las bandas electrónicas planas pueden mejorar las interacciones de los electrones, creando potencialmente nuevas fases cuánticas y comportamientos inusuales de baja energía”, dijo Si.
Estas bandas se encuentran típicamente en iones de metales de transición con redes cristalinas específicas llamadas materiales de electrones d, donde a menudo muestran propiedades únicas, dijo See.
Los hallazgos del equipo sugieren nuevas formas de diseñarlos, lo que podría inspirar nuevas aplicaciones para estos materiales en bits cuánticos, qubits y espintrónica. Su investigación muestra que la interacción de los electrones puede acoplar los estados de los electrones móviles e inmovilizados.
Utilizando un modelo teórico, los investigadores demostraron que estas interacciones pueden conducir a un nuevo tipo de efecto Kondo, donde las partículas inmóviles ganan movilidad al interactuar con electrones móviles en la energía de Fermi. El efecto Kondo describe la dispersión de los electrones de conducción en un metal debido a impurezas magnéticas, lo que resulta en un cambio característico en la resistencia eléctrica con la temperatura.
“La interferencia cuántica puede activar el efecto Kondo, lo que nos permitirá realizar avances significativos”, dijo Li Chen, Ph.D. estudiante en arroz.
Una característica clave de las bandas planas es su topología, dijo Chen. “Las bandas planas superpuestas a la energía de Fermi proporcionan un medio para realizar nuevos estados cuánticos de la materia”, afirmó.
La investigación del equipo muestra que esto incluye aniones y fermiones de Weyl, o partículas y fermiones sin masa que llevan una carga eléctrica. Los investigadores descubrieron que cualquiera de ellos es un agente prometedor para los qubits, y que los materiales que albergan fermiones de Weyl podrían encontrar aplicaciones en la electrónica basada en espín.
El estudio también destaca el potencial de estos materiales para ser altamente sensibles a señales externas y capaces de tener una controlabilidad cuántica avanzada. Los resultados muestran que las bandas planas pueden conducir a estructuras topológicas fuertemente correlacionadas a temperaturas relativamente bajas que son potencialmente funcionales a altas temperaturas o incluso a temperatura ambiente.
“Nuestro trabajo proporciona una base teórica para el uso de bandas planas en entornos de fuerte interacción para diseñar y controlar nuevos materiales cuánticos que operan fuera del rango de baja temperatura”, dijo Si.
Los contribuyentes a la investigación incluyen a Feng Zi y Shuok Sour, asociados postdoctorales de Rice en física y astronomía. Haoyu Hu, exalumno de Rice y becario postdoctoral en el Donostia International Physics Center; Silke Paschen, física de la Universidad Tecnológica de Viena; y Jennifer Cano, física teórica de la Universidad Stony Brook y del Instituto Flatiron.
