Físicos descubren un fenómeno inesperado en la superficie de un cristal de arsénico. Este hallazgo, publicado en la revista Nature, marca un hito en la comprensión de la topología cuántica y promete abrir nuevas puertas en el campo de los materiales y la informática cuántica.
El equipo, liderado por M. Zahid Hasan de la Universidad de Princeton, estaba inmerso en un estudio sobre la topología cuántica cuando se toparon con un híbrido extraño de dos estados cuánticos, cada uno con una forma diferente de corriente. «Este hallazgo fue completamente inesperado», comenta Hasan. «Nadie lo predijo en teoría antes de su observación».
Topología y bismuto
La topología está ganando cada vez más importancia en la comprensión del comportamiento de los materiales que solo pueden describirse por sus propiedades ondulatorias, conocidos como materia cuántica.
Preocupada por la geometría de las estructuras que no cambian efectivamente cuando se doblan o se deforman (pero podrían hacerlo si se rompen o se perforan), la topología tiene el potencial de afectar la actividad cuántica de los materiales de diversas formas.
Los compuestos a base de bismuto han sido objeto de mucha investigación en este campo, ya que el bismuto es un aislante topológico eficiente. Se trata de un material cuya capa exterior actúa como conductor de la actividad, mientras que el interior actúa como aislante. Lamentablemente, requiere altas temperaturas y es complicado de sintetizar y preparar. Por el contrario, el arsénico puede crecer en una forma más limpia y es más simple de preparar.
El descubrimiento
Los investigadores cultivaron cristales de arsénico gris y aplicaron campos magnéticos. Luego, sondearon la muestra utilizando microscopía de túnel de barrido (STM), para producir imágenes a escalas subatómicas. Además, emplearon espectroscopía de fotoemisión, que midió los estados de energía de los electrones.
Así, encontraron estados superficiales que fluían a lo largo de superficies ‘sin brechas’ de algunos tipos de aislantes topológicos, lo usual. Sin embargo, no esperaban descubrir estados de borde en los límites de un tipo completamente diferente de aislante topológico, nunca antes vistos juntos con los estados superficiales.
Este estado híbrido, según el estudio, representa un nuevo tipo de estado cuántico nunca antes observado. «Por lo general, consideramos que la estructura de bandas del material cae en una de varias clases topológicas distintas, cada una vinculada a un tipo específico de estado límite», explica el físico David Hsieh de Caltech.
Importancia
Este hallazgo desbloquearía una nueva clase de materiales cuánticos, que a su vez impulse la investigación en física cuántica y tecnologías como la computación cuántica.
«Visualizamos que el arsénico, con su topología única, puede servir como una nueva plataforma para desarrollar materiales topológicos y dispositivos cuánticos novedosos que actualmente no son accesibles», concluye Hasan.
El mundo de la física cuántica se encuentra ante un emocionante horizonte de descubrimientos y avances, con el arsénico como protagonista de esta nueva era en la ciencia de materiales y física cuántica.
