Anomalía de paridad demostrada en un aislante topológico
Físicos experimentales y teóricos del Instituto de aislantes topológicos de Wurzburgo observaron un efecto Hall cuántico reentrante en un dispositivo de telururo de mercurio y lo identifican como una firma de anomalía de paridad.
Los aislantes topológicos son materiales que pueden conducir la electricidad, pero sólo por su superficie o sus bordes. En su interior no circula la corriente. Son objeto de intensa investigación en todo el mundo porque tienen propiedades electrónicas únicas que resultan interesantes para mejorar la eficiencia de los ordenadores cuánticos, por ejemplo, y para otras tecnologías como la encriptación y la transmisión segura de datos.
En la revista Advanced Science, investigadores del Instituto de Aisladores Topológicos y del Instituto de Física Teórica y Astronomía de la Universidad Julius-Maximilians de Würzburg (JMU) presentan ahora un inusual efecto Hall cuántico observado en un dispositivo microscópico fabricado con el material aislante topológico teluro de mercurio (HgTe).
Observación experimental clara
En el dispositivo de telururo de mercurio, los electrones de las superficies superior e inferior se comportan como partículas relativistas de Dirac. Como predice la física de partículas, aunque no lo ha verificado experimentalmente, las partículas de Dirac deberían estar sujetas a la llamada anomalía de paridad. En los experimentos en estado sólido, la anomalía de paridad da lugar a un efecto denominado asimetría espectral, que puede medirse como un cambio inusual en la resistencia eléctrica.
"Desde la década de 1980 se viene prediciendo que la anomalía de paridad se produce en los materiales en estado sólido. Una propuesta teórica famosa es el modelo propuesto por Haldane (Premio Nobel de Física en 2016). Hemos identificado otra consecuencia de la anomalía de paridad que es la primera que se verifica experimentalmente", afirma la profesora Ewelina Hankiewicz.
El efecto no es específico solo del teluro de mercurio
Los físicos de la JMU han hecho realidad esta física de Dirac bidimensional en una única superficie del aislante topológico tridimensional. "Observamos un efecto Hall cuántico reentrante no convencional que puede relacionarse directamente con la aparición de asimetría espectral en un único estado de superficie topológica. El efecto es genérico para cualquier aislante topológico, no específico sólo del telururo de mercurio. La universalidad del resultado es lo que lo hace tan emocionante", afirma el Dr. Wouter Beugeling.
Para estos nuevos hallazgos hubo que superar dos retos. En primer lugar, había que identificar la firma de la asimetría espectral entre las demás características de la resistencia eléctrica medida. En segundo lugar, había que controlar el dispositivo de forma que los efectos de las dos superficies no se anularan entre sí.
El alto nivel de control permite nuevas exploraciones
"Esta observación demuestra que con el alto nivel de control que tenemos en este dispositivo nos permite explorar muchos más aspectos interesantes de la física de los aislantes topológicos que antes", afirma el profesor Laurens Molenkamp.
Un factor clave para lograr la precisión experimental necesaria para esta observación fue la alta calidad del material HgTe, que se produjo en la instalación de epitaxia de haces moleculares del Instituto de Física de Würzburg. La epitaxia de haces moleculares (MBE) es una técnica que permite producir capas finas de material con propiedades electrónicas, ópticas y magnéticas personalizadas. Con la MBE, las estructuras de capas pueden construirse con precisión átomo por átomo.
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