Los pulsos láser crean un estado topológico en el grafeno

08.11.2019 - Alemania

Descubrir formas de controlar los aspectos topológicos de los materiales cuánticos es una importante frontera de la investigación, ya que puede conducir a unas propiedades deseables de transporte eléctrico y de espín para las futuras tecnologías de dispositivos. Ahora los científicos del MPSD (Instituto Max Planck para la Estructura y Dinámica de la Materia) han descubierto un enfoque pionero impulsado por láser para generar un estado topológico en el grafeno.

En los materiales topológicos, los electrones experimentan un mundo retorcido. En lugar de simplemente moverse hacia adelante cuando se siente una fuerza, pueden ser empujados hacia un lado. En tal material, la corriente fluye ortogonalmente a un voltaje aplicado.

El modelo básico que describe el efecto fue desarrollado por Duncan Haldane a finales de la década de 1980, pero incluso su inventor se mostró escéptico de que pudiera ser implementado en un material real. Sin embargo, la síntesis química elaborada permitió finalmente observar efectos muy similares, desencadenando una revolución tecnológica, y finalmente otorgando a Haldane el Premio Nobel de Física 2016.

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El transporte topológico suele inducirse en los materiales mediante la aplicación de fuertes campos magnéticos o mediante la elaboración de compuestos con un fuerte acoplamiento en órbita de espín. Los investigadores del grupo de Andrea Cavalleri en el MPSD han demostrado que una interacción coherente con la luz polarizada circularmente también puede inducir corrientes eléctricas topológicas en el grafeno del material.

El enfoque radicalmente diferente del equipo consiste en iluminar el grafeno con un fuerte pulso de láser polarizado circularmente, cuyo campo eléctrico impulsa los electrones en bucles. Cuando el material se ilumina, de repente se comporta como un material topológico. Vuelve a su estado normal una vez que el pulso ha desaparecido.

Aunque este mecanismo había sido probado en simulaciones, no estaba claro si funcionaría en el contexto más complicado de los sólidos reales - y si sería posible detectarlo.

Para probar su descubrimiento, los físicos tuvieron que mostrar las corrientes que fluyen en una dirección ortogonal a un voltaje aplicado. Sin embargo, hubo un gran desafío: "Como el efecto persiste sólo durante una millonésima de millón de segundo, tuvimos que desarrollar un nuevo tipo de circuito electrónico para medirlo", dice el autor principal James McIver.

El resultado fue una arquitectura de dispositivos optoelectrónicos ultrarrápida basada en interruptores fotoconductores. Confirmó la existencia del efecto. En el futuro, los investigadores planean usar este sistema de circuitos para estudiar una variedad de problemas convincentes en los materiales cuánticos, como la superconductividad inducida por la luz y los estados de borde topológico recubiertos de fotones.

"Este trabajo muestra que la luz es capaz de diseñar propiedades topológicas en materiales topológicamente triviales", dice el coautor Gregor Jotzu. "La apariencia ultrarrápida de este efecto tiene un gran potencial para la construcción de sensores u ordenadores extremadamente rápidos."

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