Los físicos acaban de descubrir algo que nadie esperaba, escondido en la superficie de un cristal de arsénico.

Al llevar a cabo un estudio de topología cuántica (el comportamiento ondulatorio de las partículas combinado con las matemáticas de la geometría), un equipo encontró un extraño híbrido de dos estados cuánticos, cada uno de los cuales describe un medio de corriente diferente.

«Este descubrimiento fue completamente inesperado». dice el físico M. Zahid Hasan de la Universidad de Princeton. «Nadie predijo esto en teoría antes de su observación.»

La topología es cada vez más importante para comprender el comportamiento de materiales que sólo pueden describirse mediante sus propiedades ondulatorias, conocidas como materia cuántica. Preocupada por la geometría de las estructuras que no cambian efectivamente cuando se doblan o deforman (pero que pueden cambiar si se rompen o perforan), la topología tiene el potencial de afectar la actividad cuántica de los materiales de varias maneras.

Gran parte de esta investigación involucra compuestos a base de bismuto, ya que el bismuto es un aislante topológico eficiente – un material cuya capa exterior actúa como conductora de actividad y la capa interior actúa como aislante. Esto significa que los electrones del interior están inmóviles, pero los de la superficie y los bordes pueden moverse libremente.

Comúnmente utilizado en materiales semiconductoresEl arsénico también puede comportarse como un aislante topológico. Los físicos, incluido Hasan y su equipo, han estado buscando nuevos estados cuánticos en aislantes topológicos, particularmente aquellos que pueden operar a temperatura ambiente.

Los materiales a base de bismuto han aportado muchos conocimientos, pero requieren altas temperaturas y son complicados de sintetizar y preparar. El arsénico, por otro lado, se puede cultivar en una forma que es más limpia que el bismuto y más sencilla de preparar. Entonces los investigadores cultivaron cristales de arsénico grisque tiene una apariencia metálica y campos magnéticos aplicados.

Luego sondearon la muestra utilizando microscopía de efecto túnel (STM), que produce imágenes en escalas subatómicas, y espectroscopia de fotoemisión, que midió los estados de energía de los electrones.

Ellos encontraron estados superficiales – estados de electrones que fluyen a lo largo de superficies “sin espacios” de algunos tipos de aislantes topológicos – lo cual estaba bien y era normal. Pero nadie esperaba lo que encontraron… estados extremos que existen en los límites de un tipo completamente diferente de aislante topológico y nunca antes se habían visto junto a estados superficiales.

«Estabamos sorprendidos,» dice el físico Md. Shafayat Hossain de la Universidad de Princeton. «Se suponía que el arsénico gris sólo tenía estados superficiales. Pero cuando observamos los bordes de los escalones atómicos, también encontramos hermosos modos de borde conductores».

Sólo pudieron concluir que lo que estaban observando era un estado híbrido que nadie había visto antes.

«Por lo general, consideramos que la estructura de bandas de un material se clasifica en una de varias clases topológicas distintas, cada una vinculada a un tipo específico de estado límite». dice el físico David Hsieh de Caltech, que no participó en la investigación.

«Este trabajo muestra que ciertos materiales pueden pertenecer simultáneamente a dos clases. Lo más interesante es que los estados límite que surgen de estas dos topologías pueden interactuar y reconstruirse en un nuevo estado cuántico que es más que una simple superposición de sus partes».

El descubrimiento podría desbloquear un nuevo tipo de materiales cuánticos, lo que a su vez podría hacer avanzar la investigación en física cuántica, así como tecnologías como la computación cuántica.

«Prevemos que el arsénico, con su topología única, podría servir como una nueva plataforma a un nivel similar para el desarrollo de nuevos materiales topológicos y dispositivos cuánticos a los que actualmente no se puede acceder a través de las plataformas existentes». hasan dice.

«¡Te espera una nueva y apasionante frontera en la ciencia de los materiales y la nueva física!»

La investigación fue publicada en Naturaleza.