Transición topológica en un semimetal tipo Weyl inducida por pulsos de terahercios

Por Francisco R. Villatoro, el 4 enero, 2019. Categoría(s): Ciencia • Física • Nanotecnología • Nature • Noticias • Physics • Science

Los ditelururos de wolframio (WTe2) y de molibdeno (MoTe2) con estructura cristalina ortorrómbica son semimetales de Weyl, pues propagan cuasipartículas de tipo fermión sin masa con quiralidad bien definida. El MoTe2 cambia su estructura cristalina de ortorrómbica a monoclínica cuando aumenta la temperatura, pasando de semimetal a semiconductor vía una aniquilación de pares de cuasipartículas de Weyl de quiralidad opuesta. El WTe2 no cambia con la temperatura, pero puede hacerlo si se aplican esfuerzos mecánicos de cizalla. Se publica en Nature la observación de este cambio inducido por pulsos ópticos de terahercios. La ventaja de este método es que es reversible, pues se puede invertir la dirección de los esfuerzos de cizalla aplicados cambiando la polarización de los pulsos ópticos.

Los materiales topológicos de tipo Weyl prometen futuras aplicaciones en computación cuántica robusta (ordenadores cuánticos tolerantes a fallos) y en electrónica reversible (no disipativa). Pero aún falta mucha investigación básica sobre estos materiales. En el nuevo trabajo se usan pulsos de luz de terahercios (THz) que excitan los electrones del material, generando esfuerzos sobre la red cristalina que provocan que la estructura ortorrómbica se vuelva inestable sufriendo una rápida transición estructural a monoclínica. El proceso equivale a aplicar un esfuerzo de cizalla, es decir, fuerzas iguales y opuestas en las caras superior e inferior del material. El proceso inverso, el retorno a la estructura ortorrómbica desde la monoclínica es más lento, pero permite un nuevo mecanismo de conmutación reversible entre semimetal de Weyl y semiconductor. Pero lo más relevante por ahora del nuevo trabajo es que permite estudiar en detalle esta transición topológica.

El artículo es Edbert J. Sie, Clara M. Nyby, …, Aaron M. Lindenberg, “An ultrafast symmetry switch in a Weyl semimetal,” Nature (02 Jan 2019), doi: 10.1038/s41586-018-0809-4; más información en Young-Woo Son, “Topological properties controlled by light,” Nature 565: 32-33 (2019), doi: 10.1038/d41586-018-07851-7.

Los dicalcogenuros de metales de transición, como WTe2 y MoTe2, son materiales topológicos que están de moda. El WTe2 cristaliza en una red hexagonal distorsionada con una celda unidad ortorrómbica cuyo eje cristalográfico está en la dirección de la cadena W–W. Este material no presenta simetría discreta bajo inversión temporal, luego se comporta como un semimetal de Weyl con puntos de Weyl de tipo II. Una pequeña distorsión de la estructura cristalina (del orden del 1%) mediante la aplicación de esfuerzos de cizalla provoca la aniquilación de los puntos de Weyl, o duplica la separación entre estos puntos de Weyl, dependiendo de la dirección de la cizalla. En el nuevo trabajo se usa luz de terahercios para provocar estas distorsiones, lo que es posible porque las hojas planas de WTe2 están unidas entre sí por débiles fuerzas de van der Waals.

Para observar los cambios en la estructura electrónica del WTe2 se usa la técnica de difracción con electrones ultrarrelativistas (UED, siglas de relativistic Ultrafast Electron Diffraction) que permite observar hasta 200 picos de Bragg. La aplicación de pulsos de 3 y de 23 THz provoca una modulación en la intensidad de los picos de Bragg. Su análisis mediante modelos teóricos (simulaciones con la teoría del funcional densidad, o DFT) permite desvelar los cambios en la estructura cristalina y su efecto sobre los puntos de Weyl en la estructura de bandas electrónicas.

Las simulaciones teóricas por DFT y las observaciones con la técnica de generación de segundo armónico (SHG) resuelta en tiempo permiten entender el cambio en la estructura de bandas electrónicas del WTe2. En concreto, se observa cómo los puntos de Weyl (WPs) de quiralidad opuesta se acercan hasta aniquilarse, o se alejan duplicando su distancia a lo largo de los arcos de Fermi que los conectan. Como muestra esta figura, en el equilibrio (Δy = 0 pm, donde pm son picómetros), los puntos WP1 (azul) y WP2 (rojo) están separados un 0.7% de la distancia dada por el módulo del vector |G2| en la red recíproca. Cuando el esfuerzo de cizalla es positivo, Δy > 0, los dos WPs se acercan hasta que se aniquilan para Δy = +2.2 pm. Para esfuerzos de cizalla negativos, Δy < 0, se separan hasta alcanzar un separación del 6.1% del módulo del vector |G2| para Δy = −9.9 pm.

En resumen, se ha observado un nuevo método para controlar las propiedades topológicas mediante la deformación de la estructura cristalina aplicando pulsos de terahercios. Para un semimetal de Weyl se ha observado el movimiento de los puntos de Weyl, incluyendo su aniquilación. Así se ha demostrado un nuevo mecanismo de conmutación entre una fase topológica y una fase trivial, lo que promete futuras aplicaciones. Habrá que estar al tanto de resultados similares en otros dicalcogenuros de metales de transición.



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