Liberando estados exóticos de la materia: RIKEN demuestra que los bordes son innecesarios

Por RIKEN5 de junio de 2023

Los físicos de RIKEN han demostrado un estado cuántico único llamado efecto Hall cuántico anómalo en un dispositivo similar a un disco, lo que demuestra que los estados de borde no son necesarios para este proceso. El equipo demostró el bombeo de carga de Laughlin en un aislante Hall cuántico anómalo utilizando un disco en capas con forma de rosquilla compuesto por diferentes aisladores topológicos magnéticos. Este descubrimiento amplía el potencial para descubrir más fenómenos electrónicos nuevos en dichos materiales.

Contrariamente a lo esperado, los experimentos muestran que no se necesitan bordes para realizar un efecto cuántico inusual.

Los físicos de RIKEN han creado por primera vez un estado cuántico exótico en un dispositivo con una geometría similar a un disco, demostrando que no se necesitan bordes. Esta demostración abre el camino para realizar otros comportamientos electrónicos novedosos.

La física hace tiempo que abandonó los tres estados clásicos de la materia: sólido, líquido y gaseoso. Una mejor comprensión teórica de los efectos cuánticos en los cristales y el desarrollo de herramientas experimentales avanzadas para investigarlos y medirlos ha revelado una gran cantidad de estados exóticos de la materia.

Un ejemplo destacado de esto es el aislante topológico: una especie de sólido cristalino que exhibe propiedades tremendamente diferentes en sus superficies que en el resto del material. La manifestación más conocida de esto es que los aisladores topológicos conducen electricidad en sus superficies pero aislan en sus interiores.

Otra manifestación es el llamado "efecto Hall anómalo cuántico".

Conocido desde hace más de un siglo, el efecto Hall convencional surge cuando una corriente eléctrica que fluye a través de un conductor es desviada de una línea recta por un campo magnético aplicado en ángulo recto con la corriente. Esta desviación produce un voltaje a través del conductor (y una resistencia eléctrica correspondiente).

Figura 1: La estructura en forma de rosquilla del dispositivo utilizado en experimentos que demuestran el bombeo de carga de Laughlin en un dispositivo sin bordes. Crédito: © 2023 Centro RIKEN para Ciencias de la Materia Emergente

En algunos materiales magnéticos, este fenómeno puede surgir incluso cuando no se aplica un campo magnético, lo que se denomina efecto Hall anómalo.

"La resistencia anómala de Hall puede llegar a ser muy grande en los aislantes topológicos", explica Minoru Kawamura del Centro RIKEN para Ciencias de la Materia Emergente. "A bajas temperaturas, la resistencia anómala de Hall aumenta y alcanza un valor fundamental, mientras que la resistencia a lo largo de la dirección de la corriente se vuelve cero". Este es el efecto Hall anómalo cuántico y se observó por primera vez en el laboratorio hace casi una década.

Ahora, Kawamura y sus colegas han demostrado un efecto conocido como bombeo de carga de Laughlin en un aislante Hall cuántico anómalo.

El equipo fabricó un disco en forma de rosquilla hecho de capas de diferentes aislantes topológicos magnéticos (Fig. 1). Luego midieron cómo respondía la corriente eléctrica a través del dispositivo a un campo magnético alterno generado por electrodos metálicos en las curvas interior y exterior del donut.

Los investigadores observaron que este campo provocaba que se acumulara carga eléctrica en los extremos del cilindro. Este es el bombeo de carga de Laughlin.

En demostraciones anteriores de aisladores Hall anómalos cuánticos se utilizaron dispositivos rectangulares que incluían bordes que conectaban los electrodos. Y se pensaba que los estados electrónicos en estos bordes eran cruciales para soportar el aislante Hall anómalo cuántico.

Pero el hallazgo del equipo anula esta suposición. "Nuestra demostración del bombeo de carga de Laughlin en un aislante Hall cuántico anómalo utiliza un dispositivo en forma de disco sin canales de borde que conectan los dos electrodos", dice Kawamura. "Nuestro resultado plantea la posibilidad de que se puedan realizar otros fenómenos electrónicos interesantes en materiales Hall cuánticos anómalos".

Reference: “Laughlin charge pumping in a quantum anomalous Hall insulator” by Minoru Kawamura, Masataka Mogi, Ryutaro Yoshimi, Takahiro Morimoto, Kei S. Takahashi, Atsushi Tsukazaki, Naoto Nagaosa, Masashi Kawasaki and Yoshinori Tokura, 19 January 2023, 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.DOI: 10.1038/s41567-022-01888-2