Investigadores de la Universidad de Cornell han utilizado imágenes magnéticas para observar directamente por primera vez cómo fluyen los electrones en un tipo especial de aislante, lo que les ha permitido descubrir que la corriente de transporte fluye a través del interior del material y no alrededor de los bordes, como los científicos han supuesto durante mucho tiempo.

El descubrimiento arroja luz sobre la dinámica de los electrones en aisladores Hall cuánticos anómalos y ayuda a resolver un debate que lleva décadas sobre cómo fluye la corriente en aisladores Hall cuánticos más generales. Estos conocimientos servirán de base para el desarrollo de materiales topológicos para dispositivos cuánticos de próxima generación.

El artículo del equipo de investigación se publicó recientemente en la revista Nature Materials. El primer autor del artículo es Matt Ferguson, Ph.D. durante 22 años y actualmente investigador postdoctoral en el Instituto Max Planck de Física Química del Estado Sólido en Alemania.

Efecto Hall cuántico

El proyecto, dirigido por Katja Nowack, profesora asistente de física en la Facultad de Artes y Ciencias y autora principal del artículo, se originó a partir de lo que se conoce como efecto Hall cuántico. El efecto Hall cuántico, descubierto por primera vez en 1980, provoca un fenómeno inusual cuando un campo magnético actúa sobre un material específico: el interior de una muestra a granel se convierte en un aislante, mientras que la corriente eléctrica se mueve en una dirección a lo largo del borde exterior. La resistencia se cuantifica, o se restringe, a un valor definido por una constante universal fundamental y cae a cero.

Los aisladores Hall anómalos cuánticos, descubiertos por primera vez en 2013, logran el mismo efecto mediante el uso de materiales magnetizados. La cuantificación todavía se produce, la resistencia longitudinal desaparece y los electrones se aceleran a lo largo del borde sin disipar energía, algo así como un superconductor.

Romper nociones populares

"La imagen de la corriente que fluye a lo largo de un borde es una buena explicación de cómo se produce la cuantificación. Pero resulta que no es la única imagen que puede explicar la cuantificación", dijo Novak. "Esta imagen de borde ha dominado desde el espectacular aumento de los aisladores topológicos a principios de este siglo. La complejidad de los voltajes y corrientes locales se ha olvidado en gran medida. De hecho, estas situaciones pueden ser mucho más complejas de lo que sugiere la imagen de borde".

Actualmente sólo se sabe que unos pocos materiales son aislantes Hall anómalos cuánticos. En su nuevo trabajo, el equipo de Nowak se centró en el telururo de bismuto y antimonio dopado con cromo, el mismo compuesto que se observó por primera vez que tenía el efecto Hall cuántico anómalo hace una década.

La muestra fue cultivada por colaboradores dirigidos por el profesor de física de Penn State, Nitin Samart. Para escanear el material, Nowak y Ferguson utilizaron el Dispositivo de Interferencia Cuántica Superconductora (SQUID) de su laboratorio, un sensor de campo magnético extremadamente sensible que puede operar a temperaturas criogénicas y detectar campos magnéticos increíblemente pequeños. SQUID toma imágenes de manera efectiva del flujo de corriente (que es responsable del campo magnético) y luego combina estas imágenes para reconstruir la densidad de corriente.

"Las corrientes que estábamos estudiando eran muy, muy pequeñas, por lo que eran difíciles de medir", dijo Novak. "Necesitábamos una buena cuantificación de la muestra a temperaturas inferiores a un kelvin. Estoy orgulloso de haberlo conseguido".

Descubrimiento e impacto futuro

Cuando los investigadores notaron que los electrones fluían en la mayor parte del material, en lugar de en los bordes, comenzaron a analizar hallazgos anteriores. Descubrieron que en los años posteriores al descubrimiento del efecto Hall cuántico en 1980, hubo mucho debate sobre dónde se producía el flujo de electrones, un debate del que la mayoría de los jóvenes científicos de materiales desconocían.

"Espero que la nueva generación que trabaja con materiales topológicos se dé cuenta de este trabajo y reabra el debate. Está claro que ni siquiera entendemos algunos aspectos muy fundamentales de lo que sucede con los materiales topológicos", dijo. "Si no entendemos cómo fluye la electricidad, ¿qué sabemos realmente sobre estos materiales?

Responder a estas preguntas también puede ser relevante para fabricar dispositivos más complejos, como técnicas híbridas que acoplan superconductores con aislantes Hall cuánticos anómalos para crear estados de materia más exóticos.

"Me interesaría saber si los fenómenos que observamos se aplican a diferentes sistemas materiales. Quizás en algunos materiales la corriente fluye de manera diferente", dijo Novak. "Para mí, esto resalta la fascinación de los materiales topológicos: su comportamiento en las mediciones eléctricas está determinado por principios muy generales, independientes de los detalles microscópicos. Sin embargo, comprender lo que sucede a escala microscópica es crucial, tanto para nuestra comprensión fundamental como para las aplicaciones. Esta interacción de principios y matices generales es lo que hace que el estudio de los materiales topológicos sea tan fascinante y fascinante".