Físicos de la Universidad Autónoma de Madrid han desarrollado una nueva técnica para la detección de estados topológicos de la materia. El hallazgo abre una nueva vía para la comprensión de estos estados que determinan las propiedades ópticas y electrónicas de los materiales.
La naturaleza ultrarelativista de los electrones en grafeno está ligada a una propiedad topológica de su función de ondas. Experimentos recientes, realizados en el Instituto de Física de la Materia Condensada de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM), han conseguido visualizar esta propiedad con un microscopio de efecto túnel, midiendo una singularidad topológica en las cercanías de un átomo de hidrógeno adsorbido en un grafeno.
Los resultados, publicados en la revista Nature con la colaboración de un equipo internacional de físicos, demuestran que el método podría ser aplicado a otros materiales en la búsqueda de nuevos estados electrónicos topológicos.
En la actualidad, se estima que cerca de un 24 % de los materiales conocidos podrían tener propiedades topológicas, aunque solo una ínfima cantidad de ellos han sido identificados. “El desarrollo de este nuevo método de detección permitirá el descubrimiento de nuevos materiales con propiedades ciertamente exóticas”, afirman los autores.
Singularidades topológicas
El huso horario es una forma útil de representar la hora en la superficie del globo. Sin embargo, nos obliga a plantear la siguiente pregunta: ¿qué hora es en el polo norte donde todas las zonas horarias se encuentran? Usando esta representación, el polo norte es un punto singular donde la hora no está bien definida.
Una forma de poner de manifiesto esta singularidad es enviar un viajero a circunnavegar el globo hacia el este, tal y como hizo Julio Verne con Phileas Fogg en su libro La vuelta al mundo en ochenta días. El viajero cruza las 24 zonas horarias durante su viaje adelantando su reloj una hora cada vez que atraviesa una zona horaria. Así, en comparación con un observador que hubiese permanecido en el mismo sitio, observará un cambio de hora de exactamente un día una vez regrese a su punto de partida.
Esta diferencia, que posibilita el giro final del libro de Julio Verne, es remarcable en el sentido de que no depende de los detalles del viaje, tales como la latitud o el tiempo empleado en el mismo. Solo depende del número de vueltas que se den alrededor del polo norte. Una propiedad de este tipo se dice que es topológica.
En física cuántica, las propiedades topológicas caracterizan nuevos estados electrónicos. Por ejemplo, los electrones de baja energía en grafeno se comportan como partículas similares a la luz moviéndose a un 0, 3% de su velocidad. Este comportamiento ultrarelativista está caracterizado por una singularidad topológica, un tipo de polo norte en un espacio abstracto.
“Dado que los electrones también poseen relojes, la fase de su función de ondas, la singularidad topológica había podido ser identificada forzando a los electrones a dar la vuelta alrededor de ellos mismos mediante el uso campos magnéticos y comparando sus relojes. Bajo estas condiciones, la diferencia de fase acumulada tras la navegación llevó a la observación del efecto Hall cuántico anómalo, lo que confirmó de la existencia de partículas ultra-relativistas en grafeno y, por tanto, de la existencia misma de este material”, detallan los investigadores.
Salto conceptual
El método que se publica en Nature permite acceder a la misma propiedad topológica. Este método representa un salto conceptual, ya que no requiere forzar a los electrones a girar alrededor de su polo norte. En su lugar, los investigadores han mostrado que es posible materializar la singularidad abstracta en la superficie del grafeno situando un átomo de hidrógeno sobre ella.
“La singularidad se revela mediante la aparición de dislocaciones en el frente de ondas de la densidad de estados electrónica en las cercanías del átomo de hidrógeno, que pueden ser observadas empleando un microscopio de efecto túnel”, explican los autores.
El equipo mostró cómo el número adicional de frentes de ondas es una medida de la singularidad del grafeno. Así, este avance abre una nueva vía para la comprensión de los estados topológicos de la materia, que determinan las propiedades ópticas y electrónicas de los materiales.
El trabajo es una colaboración internacional con investigadores pertenecientes a la UAM, el Comisariado francés para la Energía Atómica y las Energías Alternativas, el Centro Nacional para la Investigación (Francia) y la Universidad Radboud de Nimega (Países Bajos).
Los experimentos fueron realizados por Héctor González-Herrero e Iván Brihuega, del grupo Atom by atom, adscrito al Instituto de Física de la Materia Condensada de la UAM.
Referencia bibliográfica:
Dutreix, C.; González-Herrero, H.; Brihuega, I.; Katsnelson, M. I.; Chapelier, C.; Renard V. T. “Measuring graphene’s Berry phase from wavefront dislocations in Friedel oscillations”. Nature (septiembre, 2019).
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