Se ven como un faro de esperanza para la electrónica que ahorra energía y la alta tecnología del futuro : los materiales cuánticos topológicos. Una de sus propiedades es la conducción de electrones polarizados por espín en su superficie, aunque en realidad no son conductores en el interior. Para poner esto en perspectiva : en los electrones polarizados por espín, el momento angular intrínseco, es decir, la dirección de rotación de las partículas (espín), no está alineado puramente al azar.
Para distinguir los materiales topológicos de los convencionales, los científicos solían estudiar sus corrientes superficiales. Sin embargo, la topología de un electrón está íntimamente ligada a sus propiedades ondulatorias mecánicas cuánticas y su espín. Esta relación ahora se ha demostrado directamente por medio del efecto fotoeléctrico, un fenómeno en el que se liberan electrones de un material, como el metal, con la ayuda de la luz.
Visualización de la topología de los electrones con « gafas 3D »
El profesor Giorgio Sangiovanni, miembro fundador de ct.qmat en Würzburg y uno de los físicos teóricos del proyecto, comparó este descubrimiento con el uso de gafas 3D para visualizar la topología de los electrones. Como él explica : « Los electrones y los fotones se pueden describir mecánicamente cuánticamente como ondas y partículas. Por lo tanto, los electrones tienen un espín que podemos medir gracias al efecto fotoeléctrico ».
Para hacer esto, el equipo utilizó luz de rayos X polarizada circularmente, partículas de luz que poseen un par. Sangiovanni elabora : « Cuando un fotón se encuentra con un electrón, la señal que proviene del material cuántico depende de si el fotón tiene una polarización hacia la derecha o hacia la izquierda. En otras palabras, la orientación del espín del electrón determina la fuerza relativa del señal entre los haces polarizados a la izquierda y a la derecha. Por lo tanto, este experimento se puede considerar como gafas polarizadas en un cine 3D, donde también se utilizan haces de luz orientados de forma diferente. Nuestras ‘gafas 3D’ hacen visible la topología de los electrones ».
Dirigido por el Clúster de Excelencia de Würzburg-Dresden ct.qmat (Complejidad y topología en la materia cuántica), este innovador experimento, junto con su descripción teórica, es el primer intento exitoso de caracterizar topológicamente los materiales cuánticos. Sangiovanni destaca el papel esencial de un acelerador de partículas en el experimento y afirma : « Necesitamos el acelerador de partículas sincrotrón para generar esta luz de rayos X especial y crear el efecto de ‘cine 3D' ».
Materia cuántica, aceleradores de partículas y superordenadores
El viaje a este éxito monumental abarcó un período de tres años para los investigadores. Su punto de partida fue el metal kagome TbV6Sn6, un material cuántico. En esta clase especial de materiales, la red atómica tiene una mezcla de redes triangulares y de panal en una estructura que recuerda a un tejido de canasta japonés. Los metales de Kagome juegan un papel importante en la investigación de materiales de ct.qmat.
« Antes de que nuestros colegas experimentales pudieran comenzar el experimento de sincrotrón, necesitábamos simular los resultados para asegurarnos de que estábamos en el camino correcto. En el primer paso, ideamos modelos teóricos y ejecutamos cálculos en una supercomputadora », dice el Dr. Domenico di Sante. el líder del proyecto y físico teórico, que también es miembro asociado del Centro de Investigación Colaborativa de Würzburg (SFB) 1170 ToCoTronics. Los hallazgos de las mediciones se alinearon perfectamente con las predicciones teóricas, lo que permitió al equipo visualizar y confirmar la topología de los metales kagome.
Red de investigación internacional
El proyecto de investigación involucró a científicos de Italia (Bolonia, Milán, Trieste, Venecia), el Reino Unido (St. Andrews), los EE. UU. (Boston, Santa Bárbara) y Würzburg. La supercomputadora utilizada para las simulaciones está en Munich y los experimentos de sincrotrón se realizaron en Trieste. « Estos hallazgos de investigación ilustran perfectamente los notables resultados que la física teórica y experimental pueden producir cuando se trabaja en conjunto », concluye el profesor Sangiovanni.