El patrón Kagome es una red de triángulos entrelazados famoso entre los tejedores de cestas tradicionales japoneses y los físicos de la materia condensada. La geometría inusual de los átomos metálicos en la red de Kagome y el comportamiento electrónico resultante la convierten en un paraíso para explorar fenómenos cuánticos extraños y maravillosos que forman la base para la investigación de dispositivos de próxima generación.
Un ejemplo clave es el no tradicional, como la superconductividad de alta temperatura, que no sigue las leyes tradicionales de la superconductividad. La mayoría de los materiales superconductores muestran sus aparentemente mágicas propiedades de resistencia cero a temperaturas de unos pocos Kelvin: temperaturas que son simplemente irreales para la mayoría de las aplicaciones. Esta es una perspectiva atractiva para los materiales que exhiben la llamada superconductividad de "alta temperatura", que se puede lograr enfriando con nitrógeno líquido (incluso a temperatura ambiente). Encontrar y sintetizar nuevos materiales con superconductividad no convencional se ha convertido en el Santo Grial para los físicos de la materia condensada, pero para lograrlo necesitamos una comprensión más profunda del comportamiento electrónico exótico y topológico de los materiales.
Durante mucho tiempo se ha argumentado que un comportamiento inusual de transporte de electrones que resulta en el flujo espontáneo de cargas circulantes es un precursor de la superconductividad de alta temperatura y está detrás de otro fenómeno misterioso: el efecto Hall anómalo cuántico. Duncan Haldane ganó el Premio Nobel de Física 2016 por sus descubrimientos teóricos sobre las transiciones de fase topológicas y las fases topológicas de la materia. Este efecto topológico ocurre en algunos materiales electrónicos bidimensionales y está asociado con la capacidad de generar corriente eléctrica incluso en ausencia de un campo magnético externo. Comprender el efecto Hall anómalo cuántico es importante no sólo para la física fundamental, sino también para posibles aplicaciones en nuevos dispositivos y electrónica. Ahora, una colaboración internacional dirigida por el Instituto Paul Scheele (PSI) en Suiza ha descubierto pruebas sólidas que respaldan este esquivo comportamiento de transporte electrónico.
Un equipo dirigido por investigadores del Laboratorio de Espectroscopía de Spin Mesón de PSI ha descubierto un campo magnético interno débil, lo que sugiere un orden extraño de cargas en un superconductor relacionado con Kagome. Estos campos magnéticos rompen lo que se llama simetría de inversión del tiempo, un tipo de simetría que significa que las leyes de la física son las mismas ya sea que miremos hacia adelante o hacia atrás en un sistema.
Una explicación natural para romper la simetría de inversión del tiempo en los campos magnéticos es un nuevo ordenamiento de las cargas. El orden de carga puede entenderse como la modulación periódica de la densidad de electrones a través de la red cristalina y la reordenación de los átomos en estructuras de orden superior (superred). El equipo centró su investigación en la red Kagome, KV3Sb5, que es superconductora por debajo de 2,5 Kelvin. Por debajo de una temperatura crítica elevada de unos 80 Kelvin, se observó en este material un enorme efecto Hall cuántico anómalo que hasta entonces no había sido explicado. Por debajo de esta temperatura crítica de alrededor de 80 Kelvin, hay un orden extraño de cargas llamado "temperatura de ordenación de cargas".
El campo magnético que se descubrió que rompe la simetría de inversión del tiempo implica un orden de carga inusual, con corrientes eléctricas moviéndose alrededor de las celdas unitarias de la red de Kagome, llamadas "corrientes orbitales". El magnetismo resultante está gobernado por el movimiento orbital extendido de los electrones en la red atómica.
El corresponsal Zurab Guguchia, que dirigió el equipo, explicó: "La realización experimental de este fenómeno es extremadamente desafiante porque los materiales que muestran corrientes orbitales son muy raros y las señales características a menudo son demasiado débiles para ser detectadas".
Si bien estudios anteriores han demostrado que se rompe la simetría de inversión del tiempo por debajo de las temperaturas superconductoras, fue la simetría de inversión del tiempo la que se rompió por el orden de carga. Esto significa que esta supuesta secuencia de carga externa pertenece a una nueva etapa cuántica de la materia.
Evidencias muy convincentes
Para encontrar las tan controvertidas "corrientes orbitales", los físicos utilizaron μSR (μSR) altamente sensible para detectar señales magnéticas débiles y sugestivas. Los mesones inyectados en la muestra pueden servir como sondas magnéticas locales altamente sensibles del campo magnético interno del material, permitiendo la detección de campos magnéticos tan pequeños como 0,001 mW. En presencia de un campo magnético interno, el espín del muón se despolariza. Los muones se desintegran en positrones de alta energía, que se emiten en la dirección del espín del muón y transportan información sobre la polarización del espín del muón en el entorno local.
Los investigadores observaron cambios sistemáticos en la señal magnética cuando la temperatura caía por debajo de 80 K (la temperatura de clasificación de carga). Utilizando la instalación μSR más avanzada del mundo de PSI, que puede aplicar campos magnéticos de hasta 9,5 Tesla, el equipo de investigación puede utilizar campos magnéticos externos elevados para mejorar la conversión de pequeños campos magnéticos internos, proporcionando pruebas más sólidas de que los campos magnéticos son causados por corrientes orbitales internas. .
“Primero realizamos el experimento sin un campo magnético externo”, explica el Dr. Gurguchia. "Cuando vimos que la transición en el sistema se producía por debajo de la temperatura de clasificación de carga, nos sentimos muy motivados para continuar. Pero luego aplicamos un campo alto, que promovió esta reacción electrónica, y estábamos contentos. Este es un proceso muy, muy prometedor. Durante mucho tiempo ha sido difícil encontrar pruebas convincentes."
Comprensión profunda de la superconductividad no convencional y el efecto Hall anómalo cuántico
Se puede decir que esta investigación es fuente de debate a largo plazo. Se proporciona la evidencia más sólida de que realmente existen "corrientes orbitales" en el material de Kagome KV3Sb5. La teoría sugiere que el efecto Hall anómalo cuántico se origina a partir de "corrientes orbitales". Por lo tanto, se han propuesto "corrientes orbitales" en algunos superconductores no convencionales que exhiben efectos Hall anómalos cuánticos sorprendentemente grandes. A saber, grafeno, cupratos y redes Kagome, pero hasta ahora no había evidencia real de su existencia.
El descubrimiento de campos magnéticos que rompen la simetría de inversión del tiempo significa que las corrientes orbitales (y el extraño orden de las cargas que las producen) abren una extraña vía de investigación en física y dispositivos de próxima generación. Se cree que el flujo orbital desempeña un papel fundamental en los mecanismos de diversos fenómenos de transporte no convencionales, incluida la superconductividad de alta temperatura, con aplicaciones que van desde la transmisión de energía hasta los trenes maglev. El concepto de corrientes orbitales también constituye la base de la electrónica orbital, un campo que aprovecha los grados de libertad orbitales como portadores de información en dispositivos de estado sólido.