Un equipo internacional de investigadores, liderado por el Laboratorio de Transporte Cuántico de Fuertes Correlaciones del Centro RIKEN para la Ciencia de la Materia Emergente (CEMS) en Japón, ha logrado una hazaña histórica al demostrar la existencia de un semimetal de Weyl ideal, lo que representa un avance significativo en un problema que ha desafiado a la comunidad científica durante más de una década en el campo de los materiales cuánticos.
Los fermiones de Weyl son excitaciones cuánticas colectivas de electrones que se forman en ciertos cristales y se predice que poseen propiedades electromagnéticas exóticas, lo que ha despertado un gran interés a nivel mundial. Sin embargo, a pesar de los exhaustivos estudios realizados sobre miles de cristales, la mayoría de los materiales Weyl conocidos hasta ahora presentan una conducción eléctrica dominada por electrones triviales no deseados, lo que oculta la presencia de los fermiones de Weyl. La investigación más reciente ha logrado sintetizar un material que alberga un único par de fermiones de Weyl y carece de estados electrónicos irrelevantes.
Un esfuerzo colaborativo
El trabajo, publicado en la revista Nature, es el resultado de una colaboración de cuatro años entre el CEMS, el Programa Interdisciplinario de Ciencias Teóricas y Matemáticas de RIKEN (iTHEMS), el Centro de Electrónica de Fase Cuántica (QPEC) de la Universidad de Tokio, el Instituto de Investigación de Materiales de la Universidad de Tohoku y la Universidad Tecnológica de Nanyang en Singapur.
Los investigadores lograron crear un semimetal de Weyl a partir de un semiconductor topológico, revisitando una estrategia teórica que fue propuesta por primera vez en 2011 pero que había sido abandonada y en gran medida olvidada por la comunidad científica. Este nuevo semimetal se deriva del telururo de bismuto, Bi2Te3, al ajustar su composición química de manera controlada, sustituyendo el bismuto por cromo para obtener (Cr,Bi)2Te3.
Según Ryota Watanabe, estudiante de doctorado y coautor del estudio, «nos intrigó inicialmente el gran efecto Hall anómalo (AHE) en (Cr,Bi)2Te3, que señalaba una nueva física más allá de la de los semiconductores topológicos». Ching-Kai Chi, también coautor, destacó que «a diferencia de los materiales Weyl anteriores, la estructura electrónica sencillamente única de (Cr,Bi)2Te3 nos permitió explicar cuantitativamente nuestros experimentos utilizando una teoría precisa».
Ilya Belopolski, primer autor del estudio, mencionó que el hallazgo sorprendió tanto a él como a sus colegas en todo el mundo. «Diferentes comunidades ya habían establecido los conocimientos teóricos y experimentales clave necesarios para sintetizar este semimetal de Weyl, pero parece que no nos estábamos comunicando adecuadamente, lo que nos llevó a perder esta oportunidad de descubrimiento».
Belopolski atribuye el éxito de este avance a la combinación única de investigadores brillantes, generosa financiación y un ambiente intelectual dinámico en CEMS.
Entre las posibles aplicaciones de este semimetal de Weyl ideal se encuentran los dispositivos de terahercios (THz). A diferencia de los semiconductores, que solo pueden absorber fotones con energía superior a su brecha energética, los semimetales, al no tener una brecha energética, pueden absorber luz de baja frecuencia, incluso en el rango THz. Yuki Sato, investigador postdoctoral y coautor del trabajo, expresó su interés en aplicar este semimetal a la generación y detección de luz THz.
El equipo también anticipa investigaciones en sensores de alto rendimiento, electrónica de bajo consumo y nuevos dispositivos optoelectrónicos. Lixuan Tai, investigadora postdoctoral que se unió al laboratorio poco antes de la publicación del trabajo, se mostró entusiasmada por las oportunidades de investigación que se presentan con esta nueva fase cuántica de la materia.
