Los físicos atrapan electrones en un cristal 3D por primera vez | Noticias del MIT

Los electrones se mueven a través de un material conductor como los viajeros en plena hora punta de Manhattan. Las partículas cargadas pueden empujarse y chocar entre sí, pero en su mayor parte no se preocupan por los demás electrones mientras avanzan, cada uno con su propia energía.

Pero cuando los electrones de un material quedan atrapados juntos, pueden establecerse exactamente en el mismo estado energético y comenzar a comportarse como uno solo. Este estado colectivo, parecido a un zombi, es lo que se conoce en física como una “banda plana” electrónica, y los científicos predicen que cuando los electrones están en este estado pueden comenzar a sentir los efectos cuánticos de otros electrones y actuar de manera cuántica coordinada. Entonces pueden surgir comportamientos exóticos como la superconductividad y formas únicas de magnetismo.

Ahora, los físicos del MIT han atrapado con éxito electrones en un cristal puro. Es la primera vez que los científicos consiguen una banda plana electrónica en un material tridimensional. Con cierta manipulación química, los investigadores también demostraron que podían transformar el cristal en un superconductor, un material que conduce electricidad con resistencia cero.

El estado atrapado de los electrones es posible gracias a la geometría atómica del cristal. El cristal, que los físicos sintetizaron, tiene una disposición de átomos que se asemeja a los patrones tejidos en "kagome", el arte japonés de tejer cestas. En esta geometría específica, los investigadores descubrieron que, en lugar de saltar entre átomos, los electrones estaban "enjaulados" y se asentaban en la misma banda de energía.

Los investigadores dicen que este estado de banda plana se puede lograr con prácticamente cualquier combinación de átomos, siempre que estén dispuestos en esta geometría 3D inspirada en Kagome. El resultadosque aparece hoy en Naturaleza, proporcionan una nueva forma para que los científicos exploren estados electrónicos raros en materiales tridimensionales. Estos materiales podrían algún día optimizarse para permitir líneas eléctricas ultraeficientes, bits cuánticos de supercomputación y dispositivos electrónicos más rápidos e inteligentes.

"Ahora que sabemos que podemos hacer una banda plana a partir de esta geometría, tenemos una gran motivación para estudiar otras estructuras que podrían tener otra física nueva que podría ser una plataforma para nuevas tecnologías", dice el autor del estudio Joseph Checkelsky, profesor asociado de física. .

Los coautores de Checkelsky en el MIT incluyen a los estudiantes graduados Joshua Wakefield, Mingu Kang y Paul Neves, y al posdoctorado Dongjin Oh, quienes son coautores principales; los estudiantes de posgrado Tej Lamichhane y Alan Chen; los postdoctorados Shiang Fang y Frank Zhao; el estudiante universitario Ryan Tigue; el profesor asociado de ciencia e ingeniería nuclear Mingda Li; y el profesor asociado de física Riccardo Comin, quien colaboró ​​con Checkelsky para dirigir el estudio; junto con colaboradores de muchos otros laboratorios e instituciones.

Colocando una trampa 3D

En los últimos años, los físicos han atrapado electrones con éxito y han confirmado su estado electrónico de banda plana en materiales bidimensionales. Pero los científicos han descubierto que los electrones atrapados en dos dimensiones pueden escapar fácilmente de la tercera, lo que hace que los estados de banda plana sean difíciles de mantener en 2D.

En su nuevo estudio, Checkelsky, Comin y sus colegas buscaron crear bandas planas en materiales 3D, de modo que los electrones quedaran atrapados en las tres dimensiones y cualquier estado electrónico exótico pudiera mantenerse de manera más estable. Tenían la idea de que los patrones de Kagome podrían desempeñar un papel.

En trabajo previo, el equipo observó electrones atrapados en una red bidimensional de átomos que se parecía a algunos diseños de Kagome. Cuando los átomos se dispusieron en un patrón de triángulos interconectados que compartían esquinas, los electrones quedaron confinados dentro del espacio hexagonal entre los triángulos, en lugar de saltar a través de la red. Pero, como otros, los investigadores descubrieron que los electrones podían escapar hacia arriba y fuera de la red, a través de la tercera dimensión.

El equipo se preguntó: ¿Podría una configuración 3D de redes similares funcionar para encerrar los electrones? Buscaron una respuesta en bases de datos de estructuras materiales y encontraron una determinada configuración geométrica de los átomos, generalmente clasificados como pirocloro, un tipo de mineral con una geometría atómica altamente simétrica. La estructura tridimensional de átomos del picroro formaba un patrón repetitivo de cubos, cuya cara se asemejaba a una red similar a una kagome. Descubrieron que, en teoría, esta geometría podría atrapar eficazmente electrones dentro de cada cubo.

Aterrizajes rocosos

Para probar esta hipótesis, los investigadores sintetizaron un cristal de pirocloro en el laboratorio.

"No es muy diferente a cómo la naturaleza produce cristales", explica Checkelsky. "Juntamos ciertos elementos (en este caso, calcio y níquel), los fundimos a temperaturas muy altas, los enfriamos y los átomos por sí solos se organizarán en esta configuración cristalina similar a una kagome".

Luego intentaron medir la energía de los electrones individuales en el cristal, para ver si realmente caían en la misma banda plana de energía. Para hacerlo, los investigadores suelen llevar a cabo experimentos de fotoemisión, en los que hacen brillar un solo fotón de luz sobre una muestra, que a su vez expulsa un solo electrón. Luego, un detector puede medir con precisión la energía de ese electrón individual.

Los científicos han utilizado la fotoemisión para confirmar los estados de bandas planas en varios materiales 2D. Debido a su naturaleza físicamente plana y bidimensional, estos materiales son relativamente sencillos de medir utilizando luz láser estándar. Pero para los materiales 3D, la tarea es más desafiante.

"Para este experimento normalmente se necesita una superficie muy plana", explica Comin. “Pero si nos fijamos en la superficie de estos materiales 3D, son como las Montañas Rocosas, con un paisaje muy ondulado. Los experimentos con estos materiales son muy desafiantes y esa es parte de la razón por la que nadie ha demostrado que albergan electrones atrapados”.

El equipo superó este obstáculo con espectroscopia de fotoemisión con resolución de ángulo (ARPES), un haz de luz ultraenfocado que puede apuntar a ubicaciones específicas a través de una superficie 3D irregular y medir las energías de los electrones individuales en esas ubicaciones.

"Es como aterrizar un helicóptero en plataformas muy pequeñas, a lo largo de este paisaje rocoso", dice Comin.

Con ARPES, el equipo midió las energías de miles de electrones a través de una muestra de cristal sintetizada en aproximadamente media hora. Descubrieron que, de manera abrumadora, los electrones en el cristal exhibían exactamente la misma energía, lo que confirma el estado de banda plana del material 3D.

Para ver si podían manipular los electrones coordinados hasta algún estado electrónico exótico, los investigadores sintetizaron la misma geometría cristalina, esta vez con átomos de rodio y rutenio en lugar de níquel. Sobre el papel, los investigadores calcularon que este intercambio químico debería desplazar la banda plana de los electrones a energía cero, un estado que conduce automáticamente a la superconductividad.

Y de hecho, descubrieron que cuando sintetizaron un nuevo cristal, con una combinación de elementos ligeramente diferente, en la misma geometría 3D similar a la de Kagome, los electrones del cristal exhibieron una banda plana, esta vez en estados superconductores.

"Esto presenta un nuevo paradigma para pensar en cómo encontrar materiales cuánticos nuevos e interesantes", dice Comin. “Demostramos que, con este ingrediente especial de esta disposición atómica que puede atrapar electrones, siempre encontramos estas bandas planas. No es sólo un golpe de suerte. A partir de este momento, el desafío es optimizar para lograr la promesa de los materiales de banda plana, potencialmente para sostener la superconductividad a temperaturas más altas”.