Los físicos predicen nuevos fenómenos extraños y proporcionan una «receta» para su realización

En un trabajo que podría conducir a una nueva física importante con aplicaciones potencialmente poderosas en informática y más, los científicos del MIT han demostrado que dos campos previamente separados de la física de la materia condensada se pueden combinar para producir fenómenos nuevos y extraños.

El trabajo es teórico, pero los investigadores están emocionados de colaborar con los experimentadores para dar sentido a los fenómenos esperados. El equipo incluyó las condiciones necesarias para lograr este objetivo final en un artículo publicado en la edición del 24 de febrero de Mental Health. Avances de la ciencia.

«Este trabajo comenzó como una especulación teórica y terminó mejor de lo que esperábamos», dice Liang Fu, profesor del Departamento de Física del MIT y líder del trabajo. Fu también está afiliado al Laboratorio de Investigación de Materiales. Sus colegas son Nisarga Paul, un estudiante graduado en física, y Yang Zhang, un becario postdoctoral que ahora es profesor en la Universidad de Tennessee.

materiales bidimensionales

El presente trabajo se ha guiado por los avances recientes en materiales bidimensionales, o aquellos que consisten en una o unas pocas capas de átomos. «Todo el mundo de los materiales 2D es muy interesante porque puedes apilarlos y torcerlos, y jugar con Lego para obtener todo tipo de estructuras geniales con propiedades inusuales», dice Paul, primer autor del artículo.

Estas estructuras sándwich, a su vez, se denominan materiales muaré. El profesor del MIT Pablo Jarillo-Herrero fue pionero en el campo con el grafeno ondulado, que consiste en dos láminas de capas atómicamente delgadas de grafeno colocadas una encima de la otra y giradas en un ligero ángulo.

Por separado, otros científicos han desarrollado un campo magnético bidimensional.

¿Qué pasaría si se combinaran dos esferas, imanes bidimensionales y materiales muaré? Este es el enfoque del trabajo actual.

Específicamente, el equipo predice que una estructura que consta de dos capas de imanes bidimensionales rematados con una capa de material semiconductor bidimensional generará un fenómeno llamado bandas planas, en el que los electrones en un semiconductor permanecen estacionarios. «Esta parte fue teóricamente desafiante porque no es muy fácil ordenar el electrón. Quieren moverse. Y se necesita mucho ajuste fino para que se queden quietos», dice Paul.

Sin embargo, obtener electrones aún les permite ‘realmente hablar entre ellos’ y ahí es cuando todas las cosas realmente interesantes están en nuestro campo. [condensed matter physics] suceder”, continúa Paul.

¿Cómo funciona?

La clave de la investigación es una partícula extraña llamada Skyrmion que tiene una propiedad de los electrones llamada espín (otra propiedad más común de los electrones es su carga). Se puede pensar en el espín como un imán elemental, donde los electrones en un átomo son como pequeñas agujas orientadas de cierta manera. En un imán de nevera, todas las rotaciones apuntan en la misma dirección.

En el cielo, los giros y vueltas forman vórtices en forma de nudos distribuidos sobre la superficie del material. Lo más importante es que los planetas son objetos topológicos, o aquellos cuyas propiedades no cambian incluso cuando están sujetos a grandes deformaciones. (En 2016, el Premio Nobel fue otorgado a los tres científicos que descubrieron las fases topológicas de la materia). Esto significa que las implementaciones futuras de las salidas celestiales serán muy poderosas o difíciles de desactivar y posiblemente conducirán a una mejor forma de almacenamiento en la memoria de la computadora.

El equipo del MIT predice que el cielo en la capa magnética bidimensional se «imprimirá» en los electrones de la capa semiconductora, dándole propiedades similares al cielo. Estas propiedades también detienen el movimiento de los electrones del semiconductor, lo que da como resultado la apariencia de banda plana.

hacia una receta

En el Avances de la ciencia Sobre el papel, los físicos también describen las mejores condiciones para crear una estructura magnética de semiconductor de cinta plana.

Yang Zhang usó un método llamado teoría funcional de la densidad para predecir qué materiales permiten las interacciones más fuertes entre los electrones en los semiconductores y el cielo en los imanes. «Para que suceda algo interesante, necesitas los electrones en una capa para sentir realmente cómo se acumula el cielo en la otra capa», dice Paul. “Se mide por un parámetro llamado intercambio aproximado, o J. Así que Yang estaba buscando una mezcla de materiales con J”.

Se encontró que la mejor composición incluía una capa de disulfuro de molibdeno (el semiconductor) sobre capas de tribromuro de cromo (el imán). Paul dice: «Las combinaciones típicas en estas dos familias de materiales tendrán una J de aproximadamente uno o dos meV. Yang descubrió que esta combinación en particular tiene una J de aproximadamente siete meV. Eso es enorme».

El equipo también identificó un cierto nivel «mágico» de magnetización que también es clave para lograr una barra plana fuerte.

Dos expertos que no participaron en el trabajo comentaron sobre su importancia.

Xiaodong Xu, de la Universidad de Washington, dijo: «La ingeniería de bandas electrónicas planas a través de redes moiré superlattice se ha convertido en una técnica poderosa para la exploración». [a variety of unusual] efectos [This team] Presente[s] Un método innovador para crear bandas topológicamente planas mediante la combinación de semiconductores 2D con muaré magnético 2D. El atractivo de este enfoque radica en el hecho de que [the team’s predictions] Haciendo posible la implementación experimental. Sin duda, esto inspirará a muchos equipos experimentales”.

Inte Suedmann del Instituto Max Planck dice: «Los autores muestran la posibilidad de la ingeniería en estos [structures] Las bandas topológicas chirn son muy planas. Estos dominios planos tienen un gran potencial para lograr estados exóticos que podrían ser plataformas potenciales para construir computadoras cuánticas topológicas».