Puntos de Weyl en la pista: publicación de los físicos de Kaiserslautern como "sugerencia de editores" publicada

Punto de Weyl experimentalmente demostrado mediante el espectrómetro de infrarrojos por transformada de Fourier. Se puede ver claramente cómo los dos bordes se tocan. (Fuente: C. Jörg / S. Vaidya / J. Noh)

Para la microscopía electrónica de campo de emisión de campo, se puede ver la estructura en espiral, similar a una pila de madera, de los cristales fotónicos que los investigadores fabricaron mediante polimerización por dos fotones y que han utilizado para sus estudios. (Fuente: C. Jörg)

¿Existe un material que conduzca y aísle? Sí, los investigadores describieron por primera vez en 2005 lo que llaman aislantes topológicos, que impiden el flujo de corriente en su interior, pero que en la superficie son extremadamente conductores. Los estados que conducen en los cristales sólidos tridimensionales alrededor de los puntos de perturbación están suspendidos en llamados puntos de Weyl. Un equipo de científicos en la Universidad Estatal de Pensilvania (PSU) y la TU Kaiserslautern (TUK) logró recientemente hacer visibles estos puntos con luz infrarroja por primera vez. La revista especializada Physical Review Letters publicó su publicación correspondiente como una "sugerencia de los editores".

En realidad, la física de Kaiserslautern, la Dra. Christina Jörg, habría querido comenzar en marzo su puesto de postdoctorado en la Universidad Estatal de Pensilvania en persona. Pero COVID-19 frenó a la beneficiaria de la beca Humboldt. En su lugar, tuvo la oportunidad de comenzar el postdoctorado en "casa" y realizar sus experimentos en la TUK en el grupo de trabajo "Tecnologías ópticas y fotónica" dirigido por el Prof. Dr. Georg von Freymann. Un golpe de suerte, como pronto quedó claro. "Continúo con la investigación que ya comenzaron mis colegas en EE. UU., caracterizando los estados de superficie y, por tanto, los puntos de Weyl ópticos en cristales fotónicos topológicos", explica la física. "Debido a la situación de la pandemia en EE. UU., el trabajo en el laboratorio en la Universidad Estatal de Pensilvania está limitado. Sin embargo, en Kaiserslautern tengo acceso completo a los equipos y técnicas de medición necesarios".

Lo que caracteriza a los aislantes topológicos, describe Jörg con un ejemplo: "En componentes electrónicos u ópticos, al conducir corriente o luz, sucede exactamente lo que conocemos cuando encendemos las luces altas en la niebla: la luz se dispersa o las partículas de luz rebotan en las gotas de niebla y son devueltas. Transferido al componente, la señal que se quiere conducir no pasa sin pérdidas y se atenúa en su camino".

En los aislantes topológicos, la situación es diferente. Aquí, las señales pueden fluir sin pérdidas alrededor de las perturbaciones internas a través de la superficie. "Los estados especiales que permiten la desviación siempre están en puntos muy específicos en la estructura de bandas —el mapa de carreteras que describe cómo pueden fluir las señales— suspendidos", explica Jörg. "Se trata de lugares donde dos bandas se encuentran. Estos lugares se llaman puntos de Weyl. Los puntos de Weyl topológicos son extremadamente robustos e inmunes a influencias externas. En materiales ópticos, los puntos de Weyl han sido difíciles de acceder experimentalmente hasta ahora, porque para observarlos libremente, se necesita un contraste de material lo más alto posible".

Por ello, el equipo utilizó una impresora 3D especial para fabricar cristales fotónicos adecuados para la investigación en un tamaño total de un milímetro cuadrado. Por primera vez, pudieron detectar puntos de Weyl ópticos cuadráticos mediante ondas de luz infrarroja. Un hito importante: "Aunque todavía no llegamos al rango visible, con estos hallazgos estamos mucho más cerca de una aplicación futura", resume Jörg.

La prestigiosa revista especializada Physical Review Letters también está convencida del potencial del trabajo de investigación de los físicos de Kaiserslautern y EE. UU., y le dio un lugar destacado en la edición actual.

Información sobre la publicación original:
Observación de un punto de Weyl fotónico de carga 2 en el infrarrojo
Sachin Vaidya, Jiho Noh, Alexander Cerjan, Christina Jörg, Georg von Freymann, y Mikael C. Rechtsman
Phys. Rev. Lett. 125, 253902
DOI: 10.1103/PhysRevLett.125.253902

Preguntas respondidas por:
Dra. Christina Jörg
Tel.: 0631 205-5230
Correo electrónico: cjoerg[at]rhrk.uni-kl.de