Una nueva huella espectroscópica de interacciones magnéticas entre estados topológicos y dopantes magnéticos de tierras raras, primer artículo del laboratorio Spin-ARPES en IMDEA Nanociencia
23.05.2023
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Apertura de gap y posterior transición de deformación en Bi2Se2Te inducida por dopaje superficial de tierras raras con impurezas magnéticas Er y Dy. Imagen: Patricia Bondía. |
- El grupo del Dr. Miguel Ángel Valbuena utiliza la espectroscopia de fotoemisión resuelta en ángulo (ARPES, por sus siglas en inglés) para revelar, por primera vez, una nueva característica espectroscópica derivada de la interacción entre estados topológicos superficiales e impurezas magnéticas.
- Los resultados experimentales, en colaboración con el grupo First Principles Modelling for Quantum Materials del instituto, se han racionalizado de acuerdo con un modelo teórico que incluye un término magnético en el hamiltoniano que gobierna los electrones topológicos de superficie.
- Esta investigación innovadora supondrá una contribución significativa a la comprensión de las interacciones magnéticas en estados topológicos, que son fundamentales para comprender fenómenos cuánticos altamente relevantes como el efecto Hall cuántico anómalo. Este efecto ha sido ampliamente buscado y es la clave para hacer avances significativos en dispositivos espintrónicos.
- Esta investigación, realizada en colaboración con científicos del Sincrotrón ALBA, el Instituto Catalán de Nanociencia y Nanotecnología y la Academia Búlgara de Ciencias, es también la primera publicación científica cuyos datos experimentales se han medido en la recién creada línea de luz LOREA en el Sincrotrón ALBA.
Madrid, 23 de mayo, 2023.
El descubrimiento de los aislantes topológicos hace casi dos décadas ha dado lugar a novedosas y prometedoras posibilidades en ciencia y tecnología de materiales. Estos materiales singulares se comportan como aislantes en su interior pero conducen la electricidad en su superficies debido al orden topológico de sus electrones de superficie. Este orden topológico está relacionado con la propiedad única que hace que el espín esté acoplado al momento, de tal forma que, para una dirección dada de propagación de los electrones de superficie, corresponde una orientación de espín única. De esta forma se dice que el electrón está protegido topológicamente. Además, en interfases de aislantes topológicos con otros materiales, por ejemplo, magnéticos o superconductores, pueden dar lugar a fenómenos cuánticos fascinantes y exóticos, como el efecto Hall cuántico anómalo o los fermiones de Majorana, de los cuales se espera que puedan revolucionar tecnologías en espintrónica o computación cuántica. Estos materiales han abierto una nueva frontera en la ciencia de materiales, ofreciendo posibilidades muy interesantes para el desarrollo de futuras tecnologías.
En particular, el efecto Hall cuántico anómalo es un fenómeno emergente que puede ocurrir en aislantes topológicos cuando se rompe su simetría de inversión temporal. La simetría de inversión temporal es la propiedad que protege el orden topológico de los electrones de la superficie frente a perturbaciones externas, como la dispersión producida por impurezas o defectos en la superficie. Sin embargo, si dichas impurezas magnéticas presentan un momento magnético perpendicular a la superficie pueden interactuar con los electrones de esta, de forma que esta simetría se rompe. Esto da como resultado una apertura de una banda prohibida o gap (de la terminología en inglés) en el punto de Dirac del cono de Dirac que describe la relación de dispersión relativista de los electrones de superficie (similar a otros sistemas bidimensionales populares como el grafeno). En tal caso, si esta banda prohibida de energía se consigue ajustar al nivel de Fermi (es decir, la energía de los electrones conductores) se podría lograr la realización del efecto Hall cuántico anómalo. La realización de dicho efecto daría como resultado un sistema con corrientes de electrones totalmente polarizadas en espín y además no disipativas sin la necesidad de aplicar un campo magnético externo, lo cual abriría un enorme abanico de posibilidades en nuevos desarrollos tecnológicos.
La detección de la apertura de la banda prohibida en los aisladores topológicos es clave para la comprensión de las interacciones entre los sistemas magnéticos y los estados topológicos y es la huella espectroscópica fundamental resultante de estas interacciones. Sin embargos los resultados previos no siempre han sido concluyentes, resultando en una cierta controversia científica al respecto. En este nuevo trabajo, publicado en Nano Letters, no solo se ha logrado este objetivo (la detección experimental del gap), sino que también se proporciona por primera vez una nueva evidencia experimental espectroscópica única e inequívoca, que confirma la ruptura de la simetría de inversión temporal, es decir, la interacción buscada entre los electrones de superficie y los dopantes magnéticos. El avance radica en la observación de un cambio en la simetría de los estados topológicos, como se muestra en las figuras. Específicamente, los electrones de conducción en la muestra prístina, descritos por un cono de Dirac deformado hexagonalmente, sufren una transformación a una simetría trigonal en su relación de dispersión debido a la interacción con los momentos magnéticos fuera del plano. En nuestro estudio, utilizamos tierras raras como el erbio y el disprosio como dopantes magnéticos en la superficie de un aislante topológico tridimensional prototípico (Bi2Se2Te). Nuestra hipótesis inicial se basaba en que gracias a los altos momentos magnéticos y la elevada anisotropía magnética que pueden llegar a presentar estos elementos en las condiciones adecuadas, podría eventualmente maximizarse la apertura de este gap, primer paso necesario hacía la realización experimental del efecto Hall cuántico anómalo previamente mencionado.
En conclusión, este nuevo hallazgo arroja luz sobre la compleja interacción entre los sistemas magnéticos y los estados topológicos y podría allanar el camino para la realización del efecto Hall cuántico anómalo en condiciones menos extremas de las descritas previamente en la literatura, lo que conllevaría importantes avances en el campo de la espintrónica.
El Dr. Miguel A. Valbuena, responsable del laboratorio Spin-ARPES en IMDEA Nanociencia, dice: “Este trabajo es significativo porque muestra nuevas pruebas experimentales y evidencias espectroscópicas que estarían en el origen de fenómenos cuánticos emergentes, como el efecto Hall cuántico anómalo. Nuestros hallazgos ofrecen nuevas formas de controlar las interacciones magnéticas a través de los estados de superficie, que podrían usarse para crear nuevas tecnologías, ofreciendo un camino prometedor hacia la creación de dispositivos electrónicos más rápidos y eficientes y de muy bajo consumo. Este avance podría eliminar los factores limitantes que actualmente impiden la aplicación industrial factible de las tecnologías basadas en el efecto Hall cuántico anómalo. Dichos factores incluyen la necesidad de enfriar los sistemas a temperaturas muy bajas, criogénicas y no prácticas, o aplicar campos magnéticos externos muy elevados que son difíciles de escalar. Lo más impactante de nuestros resultados es que hemos demostrado una clara conexión entre magnetismo y topología de una manera muy simple y elegante en estos materiales, proporcionando nuevas evidencias experimentales como la transición de la simetría de la relación de dispersión en los estados topológicos junto con la apertura de un gap. Ambos efectos serían huellas espectroscópicas del mismo efecto físico, los cuales se habían predicho de forma teórica pero aún no se habían observado simultáneamente en un experimento. Este trabajo además pone de manifiesto la importancia de la investigación básica en ciencia como fundamento para el desarrollo tecnológico futuro y como respuesta a los retos que la sociedad actual demanda, en este caso particular, abrir nuevos caminos hacía el desarrollo de tecnologías más limpias y eficientes de mucho menor consumo energético."
El resultado de esta investigación es una colaboración entre investigadores de IMDEA Nanociencia, el sincrotrón ALBA (línea de luz LOREA), el Instituto Catalán de Nanociencia y Nanotecnología (ICN2) y la Academia Búlgara de Ciencias y ha sido cofinanciado por el Ministerio de Ciencia e Innovación (MICINN) y la Agencia Española de Investigación a través del proyecto CONPHASETM (IP: Miguel A. Valbuena), la acreditación de Centro de Excelencia Severo Ochoa a IMDEA Nanociencia y por el Fondo Europeo de Desarrollo Regional (FEDER) en el marco del Programa Operativo de Crecimiento Inteligente 2014-2020 para la implementación de la línea de luz LOREA.
Referencia:
B. Muñiz Cano et al. Experimental Demonstration of a Magnetically Induced Warping Transition in a Topological Insulator Mediated by Rare-Earth Surface Dopants. Nano Lett. 2023. DOI: 10.1021/acs.nanolett.3c00587
https://repositorio.imdeananociencia.org/handle/20.500.12614/3339
Contacto
Dr. Miguel Ángel Valbuena Martínez
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Telephone: 912998878.
ORCID: 0000-0002-0585-5636
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Fuente: IMDEA Nanociencia.