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Dec 03, 2023

Revelando los misterios cuánticos: una nueva herramienta desenreda la capa de estados electrónicos

Por Universidad de Chicago 20 de mayo de 2023 La nueva herramienta desenreda los estados electrónicos. Crédito: Ilustración de Woojoo Lee y Peter Allen Investigadores de la Universidad de Chicago Fundada en 1890, la

Por Universidad de Chicago 20 de mayo de 2023

La nueva herramienta desenreda los estados electrónicos. Crédito: Ilustración de Woojoo Lee y Peter Allen

Researchers at the University of ChicagoFounded in 1890, the University of Chicago (UChicago, U of C, or Chicago) is a private research university in Chicago, Illinois. Located on a 217-acre campus in Chicago's Hyde Park neighborhood, near Lake Michigan, the school holds top-ten positions in various national and international rankings. UChicago is also well known for its professional schools: Pritzker School of Medicine, Booth School of Business, Law School, School of Social Service Administration, Harris School of Public Policy Studies, Divinity School and the Graham School of Continuing Liberal and Professional Studies, and Pritzker School of Molecular Engineering." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">La Escuela de Ingeniería Molecular Pritzker (PME) de la Universidad de Chicago ha creado un instrumento novedoso que puede ayudar a revelar el origen de los estados electrónicos en materiales diseñados, allanando el camino para su uso en futuras aplicaciones de tecnología cuántica.

El profesor asistente Shuolong Yang y su equipo desarrollaron esta herramienta innovadora para mejorar la comprensión de los aislantes topológicos magnéticos, materiales con características superficiales únicas que pueden desempeñar un papel crucial en el avance de las tecnologías de la ciencia de la información cuántica.

A través de una técnica llamada fotoemisión en el dominio de frecuencia codificada por capas, los investigadores envían dos pulsos láser a un material en capas. Las vibraciones resultantes, junto con la medición de 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 (comprender su composición o si es hueco), lo tocamos", dijo Yang. “Este es un enfoque similar a nivel microscópico. Nuestra nueva técnica nos permite 'golpear y escuchar' materiales en capas, y nos permitió demostrar que un aislante topológico magnético en particular funciona de manera diferente a lo que predice la teoría".

The results were published in the journal Nature PhysicsAs the name implies, Nature Physics is a peer-reviewed, scientific journal covering physics and is published by Nature Research. It was first published in October 2005 and its monthly coverage includes articles, letters, reviews, research highlights, news and views, commentaries, book reviews, and correspondence." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Física de la Naturaleza.

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) combinando 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 manteniendo su energía y sus propiedades cuánticas. Esta supercorriente podría utilizarse 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 lo ideal sería que los electrones se movieran alrededor de la superficie del material magnético, experimentos previos realizados por otros grupos demostraron que tal vez en lugar de eso se deslicen alrededor del material no magnético.

Para comprender qué sucede en las dos capas diferentes, la nueva herramienta primero envía un pulso infrarrojo de femtosegundo (o una billonésima de segundo). Este breve pulso 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 mediciones pueden registrar el movimiento de los electrones a través del tiempo.

"Es esencialmente una película en la escala de tiempo de femtosegundos", dijo Yang. "Y nos permite saber qué electrones pertenecen a qué capa".

Cuando aplicaron la técnica al material (MnBi2Te4)(Bi2Te3), descubrieron que el estado electrónico especial no estaba en la capa magnética, lo que desafía las predicciones teóricas. Pero como el material habría mejorado drásticamente sus propiedades cuánticas si esta supercorriente se encontrara dentro de la capa magnética, Yang y su equipo motivaron a la comunidad investigadora 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 agrupan en ángulos de cierta manera para producir un comportamiento electrónico diferente.

"Cuando se crean nuevos materiales para aplicaciones futuras, es importante tener un circuito de retroalimentación entre la síntesis y la caracterización", dijo. "Eso guiará la próxima iteración de síntesis y nos ayudará a llenar el vacío tecnológico".

Referencia: “Desenredo capa por capa de los estados de Bloch” por Woojoo Lee, Sebastian Fernandez-Mulligan, Hengxin Tan, Chenhui Yan, Yingdong Guan, Seng Huat Lee, Ruobing Mei, Chaoxing Liu, Binghai Yan, Zhiqiang Mao y Shuolong Yang, 23 de marzo de 2023, Física de la Naturaleza.DOI: 10.1038/s41567-023-02008-4

El estudio fue financiado por el Departamento de Energía de Estados Unidos y la Fundación Nacional de Ciencias.

Otros autores del artículo incluyen al académico postdoctoral Woojoo Lee, el ex pasante de investigación Sebastian Fernandez-Mulligan y el ex postdoctorado Chenhui Yan; Hengxin Tan y Binghai Yan del Instituto Weizmann de Ciencias; y Yingdong Guan, Seng Huat Lee, Ruobing Mei, Chaoxing Liu y Zhiqiang Mao de la Universidad Estatal de Pensilvania.