Descubrimiento de un Estado Cuántico Quiral en Materiales Topológicos
La quiralidad, una propiedad que permite diferenciar un objeto de su imagen especular, ha fascinado a científicos de diversas disciplinas como la biología, la química y la física. Este fenómeno, conocido a veces como «dominancia de mano», se observa en una amplia gama de escalas de la naturaleza, desde moléculas y aminoácidos hasta la famosa doble hélice del ADN y los patrones en espiral de los caparazones de caracol.
Recientemente, investigadores de la Universidad de Princeton han descubierto un estado cuántico quiral oculto en un material previamente considerado no quiral. Este hallazgo aporta claridad a un intenso debate dentro de la comunidad de físicos y amplía nuestra comprensión de las posibilidades en el ámbito cuántico.
En un estudio publicado recientemente en Nature Communications, el equipo liderado por M. Zahid Hasan, profesor de física en Princeton, utilizó un microscopio de fotocorriente de escaneo (SPCM) de nueva generación para revelar las sutiles simetrías rotas que subyacen a una onda de densidad de carga en KV₃Sb₅, un material topológico con estructura de red Kagome. Este descubrimiento ayuda a resolver una controversia de larga data sobre la capacidad de tales materiales para romper simetría de manera espontánea y formar estados cuánticos quirales, lo que podría abrir la puerta a nuevas tecnologías cuánticas.
Los investigadores habían observado un fenómeno similar en sistemas no topológicos, pero esta es la primera vez que se rompe la simetría quiral en un material cuántico topológico a granel. «Es un poco como apuntar el telescopio James Webb hacia el mundo cuántico y descubrir algo nuevo», afirmó Hasan. «Finalmente podemos resolver efectos cuánticos sutiles que habían permanecido ocultos en un material cuántico topológico.»
Avances en la Comprensión de la Simetría Quiral
La red Kagome es un patrón geométrico bidimensional compuesto de triángulos que comparten esquinas, y su nombre proviene de un diseño tradicional japonés de cestas de bambú. Durante mucho tiempo, se consideró que este material era inherentemente aciral, es decir, carecía de quiralidad. Sin embargo, en 2021, el grupo de Hasan utilizó un microscopio de túnel de escaneo de alta resolución (STM) y descubrió que, bajo ciertas condiciones, KV₃Sb₅ forma espontáneamente una inusual onda de densidad de carga.
Este hallazgo, que resultó en una publicación en Nature, planteó preguntas intrigantes sobre si la quiralidad en forma de orden de carga podría emerger sobre una red Kagome no quiral. La orden de carga espontánea es un tipo de transición de fase que ocurre cuando las cargas eléctricas forman patrones no aleatorios, creando un estado ordenado a partir de un estado inicialmente desordenado mediante un proceso conocido como ruptura espontánea de simetría.
No obstante, detectar las simetrías específicas rotas durante esta transición ha resultado difícil en ciertas clases de materiales topológicos. Las diferencias sutiles entre los estados cuánticos izquierdo y derecho en estos materiales han eludido las técnicas de medición convencionales.
Con el fin de abordar este desafío, el estudiante de posgrado Zi-Jia Cheng y el investigador postdoctoral Shafayat Hossain, coautores del artículo, desarrollaron un microscopio de fotocorriente de escaneo que puede detectar la respuesta electromagnética no lineal del material topológico bajo luz circularmente polarizada. Este microscopio se diferencia del STM, que se ha utilizado tradicionalmente en estos experimentos, al enfocarse en la caracterización de materiales ópticamente activos y estudiar su comportamiento de fotocorriente a escala local.
Los investigadores fabricaron dispositivos de cristal cuántico ultra limpios y los enfriaron a temperaturas extremadamente bajas, alrededor de 4 grados Kelvin. A altas temperaturas, la fotocorriente no mostraba preferencia entre la luz circular derecha e izquierda. Sin embargo, al enfriar el material más allá de su transición de onda de densidad de carga, ocurrió un cambio notable: la fotocorriente se volvió quiral, una firma definitiva de la quiralidad conocida como el efecto fotogalvánico circular.
Los resultados de la investigación ofrecen una comprensión más profunda de la naturaleza topológica de este material cuántico que exhibe orden de carga. A pesar de ello, una explicación completa de este fenómeno aún es esquiva. «Hemos confirmado el fenómeno, pero no contamos con una teoría rigurosa que explique por qué ocurre», añadió Hasan.
Sin embargo, las implicaciones de este descubrimiento van más allá de la ciencia básica. Según Hasan, los estados cuánticos quirales podrían algún día impulsar nuevas tecnologías optoelectrónicas y fotovoltaicas, sorprendiendo con la respuesta pronunciada que puede generar un estado quiral emergente que nunca se había reportado antes. Este trabajo también demuestra que las mediciones electromagnéticas de segundo orden son una herramienta poderosa para detectar rupturas sutiles de simetría en materiales topológicos.
Comprender cómo y en qué condiciones se rompen las simetrías es crucial para desentrañar muchos conceptos en física, como las transiciones de fase, el magnetismo y la superconductividad. Con estos avanzados instrumentos, el futuro promete revelaciones aún más sorprendentes sobre los misterios de la materia cuántica topológica.
