Una nueva fase de la materia llamada QTI (aislantes topológicos cuadrúpolo), recientemente predicha utilizando la física teórica, ha podido ser demostrada por primera vez a ‘escala humana’.

El trabajo del equipo con QTI nació de la comprensión hace una década de las propiedades de una clase de materiales llamados aislantes topológicos (TI). “Los TI son aislantes eléctricos en el interior y conductores a lo largo de sus límites, y pueden tener un gran potencial para ayudar a construir computadoras y dispositivos robustos y de baja potencia, todos definidos a escala atómica”, dijo en un comunicado Gaurav Bahl, profesor de ciencia mecánica e ingeniería en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign e investigador principal.

Las propiedades poco comunes de los TI los convierten en una forma especial de materia electrónica. “Las colecciones de electrones pueden formar sus propias fases dentro de los materiales. Estas pueden ser fases sólidas, líquidas y gaseosas familiares, como el agua, pero a veces también pueden formar fases más inusuales como una TI”, dijo el coautor y profesor de física Taylor Hughes.

Los TI generalmente existen en materiales cristalinos y otros estudios confirman que las fases de TI están presentes en cristales naturales, pero todavía hay muchas predicciones teóricas que deben ser confirmadas, dijo Hughes.

Dos cargas positivas y dos negativas acopladas

Una de esas predicciones fue la existencia de un nuevo tipo de TI que tiene una propiedad eléctrica conocida como momento cuadripolar. “Los electrones son partículas individuales que llevan carga en un material”, dijo el estudiante graduado de Física Wladimir Benalcazar. “Encontramos que los electrones en cristales pueden organizarse colectivamente para dar lugar no solo a cargar unidades dipolo, es decir, emparejamientos de cargas positivas y negativas, sino también a multipolos de orden alto en los que se unen cuatro u ocho cargas en una unidad. El miembro más simple de estas clases de orden superior son los cuadrúpolos en los que dos cargas positivas y dos negativas están acopladas”.

Actualmente no es posible diseñar un átomo material por átomo, y mucho menos controlar el comportamiento cuadrupolar de los electrones. En cambio, el equipo construyó un análogo de QTI a escala funcional a partir de un material creado a partir de placas de circuitos impresos. Cada placa de circuito contiene un cuadrado de cuatro resonadores idénticos, dispositivos que absorben radiación electromagnética a una frecuencia específica. Las tablas están dispuestas en un patrón de cuadrícula para crear el análogo de cristal completo.

“Cada resonador se comporta como un átomo, y las conexiones entre ellos se comportan como enlaces entre los átomos”, dijo Kitt Peterson, el autor principal y un estudiante graduado de ingeniería eléctrica. “Aplicamos radiación de microondas al sistema y medimos cuánto es absorbido por cada resonador, lo que nos dice cómo se comportarían los electrones en un cristal análogo. Cuanta más radiación de microondas absorbe un resonador, más probabilidades hay de encontrar un electrón en el átomo correspondiente “.

El detalle que hace de esto un QTI y no un TI es el resultado de los detalles de las conexiones entre los resonadores, dijeron los investigadores.

“Los bordes de un QTI no son conductivos como se vería en un TI típico”, dijo Bahl. “En cambio, solo las esquinas están activas, es decir, los bordes de los bordes, y son análogas a los cuatro puntos puntuales localizados que forma lo que se conoce como un momento cuadripolar. Exactamente como predijeron Taylor y Wladimir “.

“Medimos cuánta radiación de microondas absorbe cada resonador dentro de nuestro QTI, confirmando los estados de resonancia en un rango de frecuencia preciso y ubicado precisamente en las esquinas”, dijo Peterson. “Esto apuntó a la existencia de estados protegidos predichos que serían llenados por electrones para formar cuatro cargas de esquina”.

Esos cargos de esquina de esta nueva fase de la materia electrónica pueden ser capaces de almacenar datos para comunicaciones y computación. “Eso puede no parecer realista usando nuestro modelo de ‘escala humana'”, dijo Hughes. “Sin embargo, cuando pensamos en los QTI en la escala atómica, se hacen evidentes enormes posibilidades para los dispositivos que realizan computación y procesamiento de la información, posiblemente incluso a escalas inferiores a las que podemos alcanzar hoy”.

Los investigadores dijeron que el acuerdo entre el experimento y la predicción ofrecía la promesa de que los científicos están empezando a comprender la física de los QTI lo suficientemente bien como para un uso práctico.

“Como físicos teóricos, Wladimir y yo podríamos predecir la existencia de esta nueva forma de materia, pero hasta ahora no se ha encontrado ningún material que tenga estas propiedades”, dijo Hughes. “Colaborar con ingenieros ayudó a convertir nuestra predicción en realidad”, concluyó.

Fuente: europapres.es