Los aislantes topológicos (TIs) se han convertido en uno de los temas más intrigantes de la física de la materia condensada. Estos materiales presentan una extraña dualidad: mientras que sus superficies conducen electricidad, su interior actúa como un aislante. Considerados como los materiales del futuro, los TIs albergan nuevas fases cuánticas de la materia y prometen aplicaciones tecnológicas en electrónica y computación cuántica. Recientemente, los científicos han comenzado a descubrir conexiones entre los TIs y el magnetismo, lo que podría desbloquear nuevos usos para estos materiales exóticos.
Un estudio reciente liderado por el profesor de Física de Illinois, Fahad Mahmood, ha reportado el descubrimiento experimental de un gap oculto en la estructura de bandas electrónicas del aislante topológico magnético intrínseco, el telururo de bismuto y manganeso (MnBi2Te4). El equipo demostró que MnBi2Te4 carece de gap en equilibrio, pero desarrolla uno al ser expuesto a orientaciones diferentes de luz circularmente polarizada. Este hallazgo resuelve un debate que ha durado más de diez años sobre la existencia de un gap predicho pero previamente no verificado.
Aislantes topológicos magnéticos
Los aislantes topológicos no magnéticos obedecen a una regla conocida como simetría de reversibilidad temporal (TRS), donde las leyes de la física operan de la misma manera hacia adelante y hacia atrás en el tiempo. Sin embargo, en los últimos años, los científicos han estado trabajando en una nueva generación de TIs: los magnéticos. A diferencia de sus homólogos no magnéticos, los TIs magnéticos no obedecen la TRS, alterando las reglas que los electrones suelen seguir en los TIs convencionales y, de este modo, transformando sus capacidades de conducción en el exterior en un comportamiento de aislamiento.
Una de las motivaciones principales para estudiar los aislantes topológicos magnéticos es la presencia del efecto Hall cuántico anómalo (QAHE), que no se observa en los aislantes topológicos no magnéticos. Este efecto permite que las corrientes fluyan con poco o ningún pérdida de energía, protegiendo los estados cuánticos de la influencia del entorno y revelando excitaciones de partículas nunca antes vistas. Sin embargo, la necesidad de un campo magnético externo hace que el estudio del QAHE sea muy complicado en situaciones prácticas.
En este contexto, el MnBi2Te4 se ha convertido en un material central en la investigación sobre TIs magnéticos. A diferencia de otros TIs magnéticos que obtienen su magnetismo a partir de impurezas magnéticas, el magnetismo de MnBi2Te4 es intrínseco, derivado de la disposición ordenada de sus átomos de manganeso. Mahmood señaló que, durante la última década, los investigadores se han preguntado si es posible crear fases no descubiertas en los aislantes topológicos sin utilizar campos magnéticos externos.
La aparición de un gap en la estructura de bandas es un signo distintivo de la ruptura de la TRS en los TIs magnéticos. Sin embargo, algunas investigaciones han detectado experimentalmente un gap en el MnBi2Te4, mientras que otras no lo han hecho, lo que generó una controversia. Para abordar este dilema, el equipo de Mahmood se centró en la estructura de bandas del material.
Utilizando la espectroscopía de fotoemisión de ángulo resuelto (ARPES), el equipo mapeó la estructura de bandas de MnBi2Te4 en sus dos fases, tanto en equilibrio como en diferentes condiciones de temperatura. A pesar de que no encontraron un gap en ninguna de las fases, lo que concordaba con algunos estudios previos, surgió la pregunta de si el gap podía estar oculto.
Decididos a investigar más, el equipo utilizó una técnica conocida como manipulación Floquet-Bloch, que permite alterar las propiedades de los materiales a través de la luz. Al exponer el MnBi2Te4 a luz circularmente polarizada, el equipo observó que el material entraba en un estado diferente dependiendo de la dirección de la luz. Este enfoque reveló que tanto la luz polarizada a la derecha como la de la izquierda crearon un gap, un hallazgo que corroboraba la teoría detrás del material.
Además, se observó una asimetría sorprendente: en la fase de baja temperatura, la luz polarizada a la derecha generó un gap casi el doble de grande que el producido por la luz polarizada a la izquierda, lo que indicaba de forma inequívoca que la TRS estaba rota. Esta asimetría no fue observada en la fase de alta temperatura, lo que sugiere que el comportamiento del material es altamente dependiente de su estado magnético.
El estudio no solo proporciona una resolución a la controversia sobre el gap en MnBi2Te4, sino que también abre nuevas vías de investigación en el campo de los aislantes topológicos magnéticos, con el potencial de explorar otros aspectos como la conductividad eléctrica y los efectos cuánticos que podrían surgir de la manipulación Floquet-Bloch. Este avance es un paso significativo hacia la comprensión de los comportamientos de estos materiales y sus aplicaciones potenciales en tecnologías futuras.
