Los electrones se mueven por un material conductor como los viajeros en plena hora punta de Manhattan. Las partículas cargadas pueden empujarse y chocar entre sí, pero en su mayor parte no se preocupan por otros electrones mientras avanzan a toda velocidad, cada uno con su propia energía.
Pero cuando los electrones de un material están atrapados juntos, pueden alcanzar exactamente el mismo estado energético y empezar a comportarse como uno solo. Este estado colectivo, similar al de un zombi, es lo que se conoce en física como «banda plana» electrónica. Los científicos predicen que cuando los electrones se encuentran en este estado pueden empezar a sentir los efectos cuánticos de otros electrones y actuar de forma coordinada y cuántica. Entonces podrían surgir comportamientos exóticos como la superconductividad y formas únicas de magnetismo.
Ahora, físicos del MIT han conseguido atrapar electrones en un cristal puro. Es la primera vez que los científicos consiguen una banda plana electrónica en un material tridimensional. Con algunas manipulaciones químicas, los investigadores también demostraron que podían transformar el cristal en un superconductor, un material que conduce la electricidad con resistencia cero.
El estado atrapado de los electrones es posible gracias a la geometría atómica del cristal. El cristal, que los físicos sintetizaron, tiene una disposición de átomos que se asemeja a los patrones tejidos del «kagome», el arte japonés de la cestería. En esta geometría específica, los investigadores descubrieron que, en lugar de saltar entre átomos, los electrones se «enjaulaban» y se asentaban en la misma banda de energía.
Los investigadores afirman que este estado de banda plana puede conseguirse prácticamente con cualquier combinación de átomos, siempre que se dispongan en esta geometría tridimensional inspirada en el kagome. Los resultados, publicados en Nature, ofrecen a los científicos una nueva forma de explorar estados electrónicos poco comunes en materiales tridimensionales. Estos materiales podrían optimizarse algún día para crear líneas eléctricas ultraeficientes, bits cuánticos de supercomputación y dispositivos electrónicos más rápidos e inteligentes.
Ahora que sabemos que podemos hacer una banda plana con esta geometría, tenemos una gran motivación para estudiar otras estructuras que podrían tener otra física nueva que podría ser una plataforma para nuevas tecnologías, dice el autor del estudio Joseph Checkelsky, profesor asociado de Física.
Entre los coautores de Checkelsky en el MIT figuran los estudiantes de postgrado Joshua Wakefield, Mingu Kang y Paul Neves, y el postdoctorado Dongjin Oh, que son coautores principales; los estudiantes de postgrado Tej Lamichhane y Alan Chen; los postdoctorados Shiang Fang y Frank Zhao; el estudiante Ryan Tigue; Mingda Li, profesor asociado de Ciencia e Ingeniería Nuclear, y Riccardo Comin, profesor asociado de Física, que colaboró con Checkelsky en la dirección del estudio, junto con colaboradores de otros muchos laboratorios e instituciones.
Preparando una trampa 3D
En los últimos años, los físicos han conseguido atrapar electrones y confirmar su estado electrónico de banda plana en materiales bidimensionales. Pero los científicos han descubierto que los electrones atrapados en dos dimensiones pueden escapar fácilmente por la tercera, lo que dificulta el mantenimiento de los estados de banda plana en 2D.
En su nuevo estudio, Checkelsky, Comin y sus colegas intentaron crear bandas planas en materiales tridimensionales, de modo que los electrones quedaran atrapados en las tres dimensiones y cualquier estado electrónico exótico pudiera mantenerse de forma más estable. Tenían la idea de que los patrones kagome podrían desempeñar un papel importante.
En trabajos anteriores, el equipo observó electrones atrapados en una red bidimensional de átomos que se asemejaba a algunos diseños kagome. Cuando los átomos se disponían en un patrón de triángulos interconectados que compartían esquinas, los electrones quedaban confinados en el espacio hexagonal entre triángulos, en lugar de saltar por la red. Pero, al igual que otros, los investigadores descubrieron que los electrones podían escapar hacia arriba y fuera de la red, a través de la tercera dimensión.
El equipo se preguntó: ¿Podría funcionar una configuración tridimensional de celosías similares para encerrar a los electrones? Buscaron la respuesta en bases de datos de estructuras de materiales y dieron con una determinada configuración geométrica de átomos, clasificada generalmente como pirocloro, un tipo de mineral con una geometría atómica altamente simétrica. La estructura tridimensional de los átomos del picloro formaba un patrón repetitivo de cubos, cuya cara se asemejaba a un entramado kagome. Descubrieron que, en teoría, esta geometría podía atrapar electrones dentro de cada cubo.
Aterrizajes rocosos
Para probar esta hipótesis, los investigadores sintetizaron un cristal de pirocloro en el laboratorio.
No es muy distinto de cómo se crean los cristales en la naturaleza, explica Checkelsky. Juntamos ciertos elementos -en este caso, calcio y níquel-, los fundimos a temperaturas muy altas, los enfriamos y los átomos se organizan por sí solos en esta configuración cristalina parecida a un kagoma.
A continuación, trataron de medir la energía de los electrones individuales en el cristal, para ver si efectivamente caían en la misma banda plana de energía. Para ello, los investigadores suelen realizar experimentos de fotoemisión, en los que proyectan un único fotón de luz sobre una muestra, que a su vez expulsa un único electrón. A continuación, un detector puede medir con precisión la energía de ese electrón individual.
Los científicos han utilizado la fotoemisión para confirmar los estados de banda plana en diversos materiales bidimensionales. Debido a su naturaleza físicamente plana y bidimensional, estos materiales son relativamente fáciles de medir con luz láser estándar. Pero en el caso de los materiales tridimensionales, la tarea es más complicada.
Para este experimento, normalmente se necesita una superficie muy plana, explica Comin. Pero si nos fijamos en la superficie de estos materiales 3D, son como las Montañas Rocosas, con un paisaje muy ondulado. Los experimentos con estos materiales son muy difíciles, y esa es en parte la razón por la que nadie ha demostrado que alberguen electrones atrapados.
El equipo superó este obstáculo con la espectroscopia de fotoemisión de ángulo resuelto (ARPES), un haz de luz ultrafocalizado que es capaz de apuntar a lugares específicos a través de una superficie 3D irregular y medir las energías individuales de los electrones en esos lugares.
Es como aterrizar un helicóptero en plataformas muy pequeñas, por todo este paisaje rocoso, explica Comin.
Con ARPES, el equipo midió las energías de miles de electrones en una muestra de cristal sintetizado en aproximadamente media hora. Comprobaron que, en su inmensa mayoría, los electrones del cristal mostraban exactamente la misma energía, lo que confirmaba el estado de banda plana del material 3D.
Para ver si podían manipular los electrones coordinados en algún estado electrónico exótico, los investigadores sintetizaron la misma geometría cristalina, esta vez con átomos de rodio y rutenio en lugar de níquel. Sobre el papel, los investigadores calcularon que este intercambio químico debería desplazar la banda plana de electrones a energía cero, un estado que conduce automáticamente a la superconductividad.
Y, efectivamente, cuando sintetizaron un nuevo cristal, con una combinación ligeramente distinta de elementos, en la misma geometría tridimensional tipo kagome, los electrones del cristal mostraron una banda plana, esta vez en estado superconductor.
Esto presenta un nuevo paradigma para pensar en cómo encontrar nuevos e interesantes materiales cuánticos, afirma Comin. Hemos demostrado que, con este ingrediente especial de esta disposición atómica que puede atrapar electrones, siempre encontramos estas bandas planas. No es sólo un golpe de suerte. A partir de ahora, el reto es optimizar para alcanzar la promesa de los materiales de banda plana, potencialmente para mantener la superconductividad a temperaturas más altas.
Fuentes
Jennifer Chu, Physicists trap electrons in a 3D crystal for the first time (Massachusetts Institute of Technology) | Wakefield, J.P., Kang, M., Neves, P.M. et al. Three-dimensional flat bands in pyrochlore metal CaNi2. Nature 623, 301–306 (2023). doi.org/10.1038/s41586-023-06640-1
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