El efecto girotrópico inducido por luz infrarroja en el diseleniuro de titanio

Por Francisco R. Villatoro, el 29 febrero, 2020. Categoría(s): Ciencia • Física • Nanotecnología • Nature • Noticias • Physics • Science ✎ 3

Un medio material quiral es girotrópico si es capaz de rotar el plano de polarización de la luz que lo atraviesa. El material girotrópico ideal debería permitir activar y desactivar el efecto girotrópico a demanda. Se publica en Nature  un material bidimensional girotrópico controlado por luz infrarroja. El diseleniuro de titanio (TiSe2) enfriado por debajo de 174 K presenta un orden girotrópico cuando se ilumina con luz infrarroja con polarización circular; los electrones en este material presenta muestran quiral que depende del sentido de polarización circular de la luz incidente. Un resultado que promete revolucionar las aplicaciones actuales de los materiales girotrópicos.

El español Pablo Jarillo-Herrero (MIT, EEUU), reciente Premio Wolf de Física 2020, es uno de los dos líderes del equipo que ha logrado este hito. Por debajo de 198 K el TiSe2 se encuentra en su fase 1T (suele llamar 1T-TiSe2). En el nuevo dispositivo se usan tres capas bidimensionales de este material colocadas entre dos electrodos (uno metálico y el otro de grafeno). El 1T-TiSe2 es un dicalcogenuro de un metal de transición que se comporta como un semimetal y presenta ondas de densidad de carga (CDW) sin quiralidad observable. Tras enfriarlo por debajo de 174 K, al aplicar luz en el infrarrojo medio (λ = 10.6 μm) polarizada circularmente a izquierdas (LCP) o a derechas (RCP) aparece una quiralidad en las CDW y el material se vuelve girotrópico. Esta propiedad se ha demostrado observando cómo afecta a un haz de luz de prueba.

El nuevo material permitirá estudiar la relación entre las CDW y la superconductividad en el diseleniuro de titanio (que es superconductor cuando se intercala con capas planas de cobre); esta relación se cree que juega un papel relevante en la superconductividad de alta temperatura en cupratos. El nuevo artículo es Su-Yang Xu, …, Pablo Jarillo-Herrero, Nuh Gedik, «Spontaneous gyrotropic electronic order in a transition-metal dichalcogenide,»  Nature 578: 545 (27 Feb 2020), doi: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2011-8, arXiv:1910.14121 [cond-mat.mes-hall] (30 Oct 2019). Los artículos citados en el último párrafo sobre superconductividad son E. Morosan, H. W. Zandbergen, …, R. J. Cava, «Superconductivity in CuxTiSe2,» Nature Physics 2: 544-550 (2006), doi: https://doi.org/10.1038/nphys360, arXiv:cond-mat/0606529 [cond-mat.supr-con] (20 Jun 2006); y A. F. Kusmartseva, B. Sipos, …, E. Tutiš, «Pressure Induced Superconductivity in Pristine 1T-TiSe2,» Phys. Rev. Lett. 103: 236401 (2009), doi: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.103.236401.

[PS 02 mar 2020] Recomiendo el artículo de Yi Chen, Wei Ruan, …, Michael F. Crommie, «Strong correlations and orbital texture in single-layer 1T-TaSe2,» Nature Physics 16: 218-224 (2020), doi: https://doi.org/10.1038/s41567-019-0744-9, arXiv:1904.11010 [cond-mat.str-el] (24 Apr 2019); más en Katharina J. Franke, Felix von Oppen, «Correlated insulator by the slice,» Nature Physics 16: 128-129 (2020), doi: https://doi.org/10.1038/s41567-019-0760-9. [/PS]

En el experimento se ilumina con luz infrarroja polarizada circularmente el dispositivo mientras se enfría desde 280 K hasta solo 50 K. Una vez enfriado a esa temperatura, se observa una fotocorriente oscilatoria en el dispositivo que oscila entre unos −15 nA y unos 15 nA, un indicio claro del efecto girotrópico. Se sube poco a poco la temperatura y se sigue observando dicha fotocorriente, aunque su amplitud máxima decrece. Cuando se alcanza una temperatura crítica Tgyro ≈ 174 K se observa que la fotocorriente desaparece de forma abrupta. Las oscilaciones en la fotocorriente se invierten cuando se cambia el sentido de la polarización circular de la luz infrarroja que induce el efecto.

La amplitud máxima de la fotocorriente en el 1T-TiSe2 a 100 K depende linealmente de la intensidad de la luz infrarroja aplicada (induction power en mW en la figura de la izquierda). El artículo de Jarillo-Herrero y sus colegas presenta un modelo físico fenomenológico que explica el efecto observado como una transición de fase para la energía libre en función del parámetro de orden Φ0. Para T < Tgyro la energía libre tiene la forma de un doble pozo de potencial asimétrico, que para Φ0 < 0 corresponde al domino de quiralidad izquierda y para Φ0 > 0 al de quiralidad derecha. El acoplamiento entre estos dominios quirales y la luz polarizada circularmente (caracterizada por δFinduction) induce que uno de los dos pozos sea más profundo que el otro, con lo que favorece un estado con la quiralidad correspondiente.

Un punto importante que hay que destacar en relación a futuras aplicaciones es que una vez que se alcanza una fase girotrópica con cierta quiralidad a una temperatura T < Tgyro, no se puede revertir la quiralidad cambiando la polarización de la luz infrarroja incidente (al menos se ha demostrado con potencias hasta 30 mW, las máximas disponibles en el experimento). Para revertir la quiralidad del material girotrópico hay que subir a una temperatura T > Tgyro, invertir el sentido de la polarización de la luz y volver a bajar la temperatura.

Me gustaría destacar que el CuxTiSe2 es superconductor con una temperatura crítica de 4.15 K para x=0.08, y el TiSe2 lo es bajo presiones superiores a 2 GPa con una temperatura crítica de 1.8 K. En ambos casos se puede partir de un estado CDW para alcanzarla. Por ello, en mi opinión, lo más relevante del nuevo estudio no son sus potenciales aplicaciones como material girotrópico, sino la posibilidad de estudiar la relación entre las CDW y la superconductividad de alta temperatura crítica; hay que recordar que la existencia de CDW es un fenómeno que aparece asociado a la superconductividad en cupratos, pero aún no se entiende bien cuál es su relación. Gracias a la inducción del efecto girotrópico en este material se podrá estudiar en más detalle la relación entre ambos fenómenos.

Jarillo-Herrero lo ha vuelto a hacer, ofrecernos un material de gran potencial como plataforma experimental para estudiar el origen último de la superconductividad de alta temperatura en cupratos (como ya hizo con el grafeno bicapa rotado con ángulo mágico). Sin lugar a dudas, al explorar los cupratos con «nuevos ojos» nos iremos acercando a la teoría que explique el secreto de su superconductividad.



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