Investigadores de Princeton han descubierto que un material conocido como aislante topológico, hecho de los elementos bismuto y bromo, exhibe comportamientos cuánticos especializados que normalmente solo se ven en condiciones experimentales extremas de altas presiones y temperaturas cercanas al cero absoluto. Crédito: Shafayat Hossain y el Sr. Zahid Hasan de la Universidad de Princeton
Por primera vez, los físicos han observado nuevos efectos cuánticos en un aislador topológico a temperatura ambiente.
Investigadores de[{» attribute=»»>Princeton University discovered that a material known as a topological insulator, made from the elements bismuth and bromine, exhibits specialized quantum behaviors normally seen only under extreme experimental conditions of high pressures and temperatures near absolute zero. The finding opens up a new range of possibilities for the development of efficient quantum technologies, such as spin-based, high-energy-efficiency electronics.
Physicists have observed novel quantum effects in a topological insulator at room temperature for the first time. This breakthrough came when scientists from Princeton University explored a topological material based on the element bismuth. The study was published as the cover article of the October issue of the journal Nature Materials.
While scientists have used topological insulators to demonstrate quantum effects for more than a decade, this experiment is the first time these effects have been observed at room temperature. Inducing and observing quantum states in topological insulators typically requires temperatures around absolute zero, which is equal to minus 459 degrees Fahrenheit (or -273 degrees Celsius).
This finding opens up a new range of possibilities for the development of efficient quantum technologies, such as spin-based electronics, which have the potential to replace many current electronic systems with substantially higher energy efficiency.
In recent years, the study of topological states of matter has attracted considerable attention among physicists and engineers. In fact, it is presently the focus of much international interest and research. This area of study combines quantum physics with topology — a branch of theoretical mathematics that explores geometric properties that can be deformed but not intrinsically changed.
M. Zahid Hasan. Credit: Princeton University
“The novel topological properties of matter have emerged as one of the most sought-after treasures in modern physics, both from a fundamental physics point of view and for finding potential applications in next-generation quantum engineering and nanotechnologies,” said M. Zahid Hasan, the Eugene Higgins Professor of Physics at Princeton University, who led the research. “This work was enabled by multiple innovative experimental advances in our lab at Princeton,” added Hasan.
A topological insulator is the main device component used to investigate the mysteries of quantum topology. This is a unique device that acts as an insulator in its interior, which means that the electrons inside are not free to move around and therefore do not conduct electricity. However, the electrons on the device’s edges are free to move around, meaning they are conductive. Moreover, because of the special properties of topology, the electrons flowing along the edges are not hampered by any defects or deformations. This device has the potential not only of improving technology but also of generating a greater understanding of matter itself by probing quantum electronic properties.
Until now, however, there has been a major stumbling block in the quest to use the materials and devices for applications in functional devices. “There is a lot of interest in topological materials and people often talk about their great potential for practical applications,” said Hasan, “but until some macroscopic quantum topological effect can be manifested at room temperature, these applications will likely remain unrealized.”
This is because ambient or high temperatures create what physicists call “thermal noise,” which is defined as a rise in temperature such that the atoms begin to vibrate violently. This action can disrupt delicate quantum systems, thereby collapsing the quantum state. In topological insulators, in particular, these higher temperatures create a situation in which the electrons on the surface of the insulator invade the interior, or “bulk,” of the insulator, and cause the electrons there to also begin conducting, which dilutes or breaks the special quantum effect.
The way around this is to subject such experiments to exceptionally cold temperatures, typically at or near absolute zero. At these incredibly low temperatures, atomic and subatomic particles cease vibrating and are consequently easier to manipulate. But creating and maintaining an ultra-cold environment is impractical for many applications; it is costly, bulky, and consumes a considerable amount of energy.
However, Hasan and his team have developed an innovative way to bypass this problem. Building on their experience with topological materials and working with many collaborators, they fabricated a new kind of topological insulator made from bismuth bromide (chemical formula α-Bi4Br4), which is an inorganic crystalline compound sometimes used for water treatment and chemical analyses.
“This is just terrific that we found them without giant pressure or an ultra-high magnetic field, thus making the materials more accessible for developing next-generation quantum technology,” said Nana Shumiya, who earned her Ph.D. at Princeton, is a postdoctoral research associate in electrical and computer engineering, and is one of the three co-first authors of the paper.
She added, “I believe our discovery will significantly advance the quantum frontier.”
The discovery’s roots lie in the workings of the quantum Hall effect — a form of topological effect that was the subject of the Nobel Prize in Physics in 1985. Since that time, topological phases have been intensely studied. Many new classes of quantum materials with topological electronic structures have been found, including topological insulators, topological superconductors, topological magnets, and Weyl semimetals.
While experimental discoveries were rapidly being made, theoretical discoveries were also progressing. Important theoretical concepts on two-dimensional (2D) topological insulators were put forward in 1988 by F. Duncan Haldane, the Sherman Fairchild University Professor of Physics at Princeton. He was awarded the Nobel Prize in Physics in 2016 for theoretical discoveries of topological phase transitions and a type of 2D topological insulators. Subsequent theoretical developments showed that topological insulators can take the form of two copies of Haldane’s model based on electron’s spin-orbit interaction.
Hasan and his team have been on a decade-long search for a topological quantum state that may also operate at room temperature, following their discovery of the first examples of three-dimensional topological insulators in 2007. Recently, they found a materials solution to Haldane’s conjecture in a kagome lattice magnet that is capable of operating at room temperature, which also exhibits the desired quantization.
“The kagome lattice topological insulators can be designed to possess relativistic band crossings and strong electron-electron interactions. Both are essential for novel magnetism,” said Hasan. “Therefore, we realized that kagome magnets are a promising system in which to search for topological magnet phases, as they are like the topological insulators that we discovered and studied more than ten years ago.”
“A suitable atomic chemistry and structure design coupled to first-principles theory is the crucial step to make topological insulator’s speculative prediction realistic in a high-temperature setting,” said Hasan. “There are hundreds of topological materials, and we need both intuition, experience, materials-specific calculations, and intense experimental efforts to eventually find the right material for in-depth exploration. And that took us on a decade-long journey of investigating many bismuth-based materials.
Insulators, like semiconductors, have what are called insulating, or band, gaps. These are in essence “barriers” between orbiting electrons, a sort of “no-man’s-land” where electrons cannot go. These band gaps are extremely important because, among other things, they provide the lynchpin in overcoming the limitation of achieving a quantum state imposed by thermal noise. They do this if the width of the band gap exceeds the width of the thermal noise. But too large a band gap can potentially disrupt the spin-orbit coupling of the electrons — this is the interaction between the electron’s spin and its orbital motion around the nucleus. When this disruption occurs, the topological quantum state collapses. Therefore, the trick in inducing and maintaining a quantum effect is to find a balance between a large band gap and the spin-orbit coupling effects.
Following a proposal by collaborators and co-authors Fan Zhang and Yugui Yao to explore a type of Weyl metals, Hasan and his team studied the bismuth bromide family of materials. But the researchers were not able to observe the Weyl phenomena in these materials. They instead discovered that the bismuth bromide insulator has properties that make it more ideal compared to a bismuth-antimony-based topological insulator (Bi-Sb alloys) that they had studied before. It has a large insulating gap of over 200 meV (“milli electron volts”). This is large enough to overcome thermal noise, but small enough so that it does not disrupt the spin-orbit coupling effect and band inversion topology.
“In this case, in our experiments, we found a balance between spin-orbit coupling effects and large band gap width,” said Hasan. “We found there is a ‘sweet spot’ where you can have relatively large spin-orbit coupling to create a topological twist as well as raise the band gap without destroying it. It’s kind of like a balance point for the bismuth-based materials that we have been studying for a long time.”
When the researchers viewed what was going on in the experiment through a sub-atomic resolution scanning tunneling microscope, they knew they had achieved their goal. This microscope is a unique device that uses a property known as “quantum tunneling,” where electrons are funneled between the sharp metallic, single-atom tip of the microscope and the sample. The microscope uses this tunneling current rather than light to view the world of electrons on the atomic scale. The team observed a clear quantum spin Hall edge state, which is one of the important properties that uniquely exist in topological systems. This required additional novel instrumentation to uniquely isolate the topological effect.
“For the first time, we demonstrated that there’s a class of bismuth-based topological materials that the topology survives up to room temperature,” said Hasan. “We are very confidant of our result.”
This finding is the culmination of many years of hard-won experimental work and required additional novel instrumentation ideas to be introduced in the experiments. Hasan has been a leading researcher in the field of experimental quantum topological materials with novel experimentation methodologies for over 15 years; and, indeed, was one of the field’s early pioneer researchers. Between 2005 and 2007, for example, he and his team of researchers discovered topological order in a three-dimensional bismuth-antimony bulk solid, a semiconducting alloy and related topological Dirac materials using novel experimental methods. This led to the discovery of topological magnetic materials. Between 2014 and 2015, they discovered a new class of topological materials called magnetic Weyl semimetals. The researchers believe this breakthrough will open the door to a whole host of future research possibilities and applications in quantum technologies.
“We believe this finding may be the starting point of future development in nanotechnology,” said Shafayat Hossain, a postdoctoral research associate in Hasan’s lab and another co-first author of the study. “There have been so many proposed possibilities in topological technology that await, and finding appropriate materials coupled with novel instrumentation is one of the keys for this.”
One area of research where Hasan and his team believe this breakthrough will have particular impact is on next-generation quantum technologies. The researchers believe this new breakthrough will hasten the development of more efficient, and “greener” quantum materials.
Currently, the theoretical and experimental focus of the group is concentrated in two directions, said Hasan. First, the researchers want to determine what other topological materials might operate at room temperature, and, importantly, provide other scientists the tools and novel instrumentation methods to identify materials that will operate at room and high temperatures. Second, the researchers want to continue to probe deeper into the quantum world now that this finding has made it possible to conduct experiments at higher temperatures.
These studies will require the development of another set of new instrumentations and techniques to fully harness the enormous potential of these materials. “I see a tremendous opportunity for further in-depth exploration of exotic and complex quantum phenomena with our new instrumentation, tracking more finer details in macroscopic quantum states,” Hasan said. “Who knows what we will discover?”
“Our research is a real step forward in demonstrating the potential of topological materials for energy-saving applications,” added Hasan. “What we’ve done here with this experiment is plant a seed to encourage other scientists and engineers to dream big.”
Reference: “Evidence of a room-temperature quantum spin Hall edge state in a higher-order topological insulator” by Nana Shumiya, Md Shafayat Hossain, Jia-Xin Yin, Zhiwei Wang, Maksim Litskevich, Chiho Yoon, Yongkai Li, Ying Yang, Yu-Xiao Jiang, Guangming Cheng, Yen-Chuan Lin, Qi Zhang, Zi-Jia Cheng, Tyler A. Cochran, Daniel Multer, Xian P. Yang, Brian Casas, Tay-Rong Chang, Titus Neupert, Zhujun Yuan, Shuang Jia, Hsin Lin, Nan Yao, Luis Balicas, Fan Zhang, Yugui Yao and M. Zahid Hasan, 14 July 2022, Nature Materials. DOI: 10.1038/s41563-022-01304-3
The team included numerous researchers from Princeton’s Department of Physics, including present and past graduate students Nana Shumiya, Maksim Litskevich, Yu-Xiao Jiang, Zi-Jia Cheng, Tyler Cochran and Daniel Multer, and present and past postdoctoral research associates, Shafayat Hossain, Jia-Xin Yin and Qi Zhang. Other co-authors were Zhiwei Wang, Chiho Yoon, Yongkai Li, Ying Yang, Guangming Cheng , Yen-Chuan Lin, Brian Casas, Tay-Rong Chang, Titus Neupert , Zhujun Yuan, Shuang Jia , Hsin Lin and Nan Yao .
The work at Princeton was supported by the U.S. Department of Energy’s Basic Energy Sciences Division (and the Gordon and Betty Moore Foundation’s Emergent Phenomena in Quantum Systems Initiative.
ACTUALIZACIÓN: El lanzamiento del cohete Delta IV Heavy se pospuso hasta el viernes 29 de marzo a la 1:37 p. m. EDT, debido a un problema con el gasoducto de nitrógeno. Live Science transmitirá en vivo el próximo intento de lanzamiento en ese momento. aquí está declaración completa publicado por United Launch Alliance:
«El lanzamiento de un United Launch Alliance Delta IV Heavy que transportaba la misión NROL-70 para la Oficina Nacional de Reconocimiento fue cancelado debido a un problema con el gasoducto de nitrógeno que proporciona presión neumática a los sistemas del vehículo de lanzamiento. El equipo ha iniciado operaciones para asegurar El lanzamiento está programado para el viernes 29 de marzo a la 1:37 p.m.EDT.
El último cohete Delta de United Launch Alliance (ULA) está programado para lanzarse mañana (29 de marzo) a las 13:37 ET (17:37 GMT) en una misión clasificada para la Oficina Nacional de Reconocimiento (NRO) de los Estados Unidos, y Puedes verlo en vivo aquí.
El lanzamiento pondrá fin a 64 años de la flota de cohetes Delta, diseñados para transportar grandes cargas útiles al espacio. El cohete pesado Delta IV, que es el decimosexto de su tipo lanzado desde 2004, transportará carga secreta durante su despegue final desde el Complejo de Lanzamiento Espacial-37 en la estación espacial de Cabo Cañaveral en Florida.
ULA no ha revelado la naturaleza de la carga útil que se lanza al espacio, pero es probable que se trate de un satélite sofisticado, según el sitio hermano de Live Science. espacio.com. La NRO es una agencia del Departamento de Defensa de Estados Unidos responsable del diseño y operación de satélites de vigilancia, y rara vez da a conocer al público la naturaleza y el propósito de sus sistemas de reconocimiento.
Todo lo que sabemos sobre la misión actual es su nombre, NROL-70, y su fecha prevista de despegue, que puedes consultar. verlo en vivo en un webcast de ULAincrustado debajo.
«La misión NROL-70 mejorará la capacidad de la NRO para proporcionar una amplia gama de información de inteligencia oportuna a los tomadores de decisiones nacionales, combatientes y analistas de inteligencia para proteger los intereses vitales de la nación y apoyar los esfuerzos humanitarios en todo el mundo», escribieron representantes de la ULA en el comunicado. . A estado de la misión.
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No está claro si el cohete Delta realmente despegará a la hora recién anunciada, ya que los vientos terrestres y los cúmulos han creado condiciones desfavorables, que ya están provocando retrasos. El 45.º Escuadrón Meteorológico pronostica un 30 por ciento de posibilidades de que el clima se estabilice lo suficiente para el lanzamiento el jueves y un 60 por ciento de posibilidades de que las condiciones sean favorables el viernes 29 de marzo, según Vuelo espacial ahora.
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Los vientos terrestres son motivo de especial preocupación, ya que existe el riesgo de que el cohete sea lanzado contra la torre de lanzamiento, dijo el presidente y director ejecutivo de ULA, Tory Bruno, en una conferencia de prensa.
“Depende del ángulo del viento”, explicó Bruno. «Podemos lanzarlo en un momento bastante ajustado. Así que si los vientos se calman, aunque sea por unos pocos minutos… entonces lanzaremos esa oportunidad».
El cohete Delta IV Heavy no es el único cohete que llega al final de su carrera: ULA también está considerando retirar el Atlas V. La compañía de lanzamiento espacial está dejando paso a su nuevo cohete Vulcan Centaur, que primera misión controvertida – enviar el desafortunado módulo de aterrizaje lunar Peregrine de Astrobotic a la luna – lanzado a principios de enero. A pesar de un lanzamiento exitoso, la nave espacial Peregrine tuvo una fuga de combustible casi inmediatamente, acortar su misión y obligándolo a regresar con fuerza a la atmósfera terrestre el 19 de enero.
Por primera vez observamos el agujero negro de Sagitario A* en luz polarizada. La colaboración del Event Horizon Telescope dice que la imagen ofrece una nueva mirada al «campo magnético alrededor de la sombra del agujero negro» en el centro de la Vía Láctea.
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Por primera vez observamos el agujero negro de Sagitario A* en luz polarizada. La colaboración del Event Horizon Telescope dice que la imagen ofrece una nueva mirada al «campo magnético alrededor de la sombra del agujero negro» en el centro de la Vía Láctea.
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El agujero negro en el centro de nuestra galaxia ha sido comparado con un donut, y resulta que ese donut tiene remolinos. Los científicos compartieron una nueva imagen fascinante el miércoles, que muestra a Sagitario A* con un detalle sin precedentes. La imagen de luz polarizada muestra la estructura del campo magnético del agujero negro en forma de una llamativa espiral.
«Lo que estamos viendo ahora es que hay campos magnéticos fuertes, retorcidos y organizados cerca del agujero negro en el centro de la Vía Láctea», dijo Sara Issaoun, codirectora del proyecto y becaria Einstein en el programa de la Vía Láctea. Becas Hubble de la NASA. Centro Harvard y Smithsonian de Astrofísica, dijo en un declaración sobre la imagen.
La imagen captura lo que la colaboración del Event Horizon Telescope llama una «nueva vista del monstruo que acecha en el corazón de la Vía Láctea».
La analogía del donut también se aplica a la distancia: debido a la distancia entre la Vía Láctea y la Tierra, mirarla desde nuestro planeta es como ver un donut en la superficie de la Luna.
Sagitario A*, también llamado a menudo Sgr A*, está aproximadamente a 27.000 años luz de la Tierra. La primera imagen del agujero negro supermasivo se publicó hace dos años y muestra gas brillante alrededor de un centro oscuro, y carece de los detalles de la nueva imagen.
El agujero negro supermasivo Sagitario A* es visible a la izquierda, en luz polarizada. La imagen central insertada muestra la emisión polarizada del centro de la Vía Láctea, capturada por SOFIA. La imagen de fondo muestra el mapeo de la emisión de polvo polarizado a través de la Vía Láctea realizado por la Colaboración Planck.
S. Issaoun, Colaboración EHT
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El agujero negro supermasivo Sagitario A* es visible a la izquierda, en luz polarizada. La imagen central insertada muestra la emisión polarizada del centro de la Vía Láctea, capturada por SOFIA. La imagen de fondo muestra el mapeo de la emisión de polvo polarizado a través de la Vía Láctea realizado por la Colaboración Planck.
S. Issaoun, Colaboración EHT
Se sabe que los agujeros negros son «efectivamente invisibles», como se muestra La NASA dice. Pero afectan significativamente el espacio que los rodea, más obviamente al crear un disco de acreción: un remolino de gas y material que orbita una región central oscura.
La primera imagen de un agujero negro se publicó en 2019, cuando el proyecto Event Horizon Telescope compartió una imagen del agujero negro en el centro de la galaxia Messier 87 (M87), a unos 55 millones de años luz de la Tierra en el cúmulo de galaxias Virgo. . Aunque está más lejos, el agujero negro conocido como M87* es mucho más grande que Sagitario A*.
Cuando los investigadores compararon recientemente vistas de los dos agujeros negros en luz polarizada, quedaron sorprendidos por sus características comunes, siendo las más espectaculares estos remolinos.
«Además del hecho de que Sgr A* tiene una estructura de polarización sorprendentemente similar a la observada en el agujero negro M87*, mucho más grande y poderoso», dijo Issaoun, «hemos aprendido que los campos magnéticos fuertes y ordenados son esenciales para cómo funcionan los agujeros negros». Los agujeros interactúan con el gas y la materia que los rodea”.
Las imágenes lado a lado de M87* y Sagitario A* revelan que los agujeros negros supermasivos tienen estructuras de campo magnético similares, lo que sugiere que los procesos físicos que gobiernan los agujeros negros supermasivos pueden ser universales.
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Las imágenes lado a lado de M87* y Sagitario A* revelan que los agujeros negros supermasivos tienen estructuras de campo magnético similares, lo que sugiere que los procesos físicos que gobiernan los agujeros negros supermasivos pueden ser universales.
Desde un punto de vista práctico, los agujeros negros presentan una diferencia sorprendente: mientras que M87* tiene la habilidad de permanecer estable, nuestro Sgr A* «cambia tan rápidamente que no se queda quieto para tomar fotografías», dijeron los investigadores en su comunicado de prensa. .
En el momento en que se capturaron las observaciones de Sgr A*, la colaboración del EHT estaba utilizando ocho telescopios en todo el mundo, uniéndolos para crear un instrumento del tamaño de un planeta, aunque virtual. Los resultados de su trabajo fueron publicados el miércoles en Cartas de la revista astrofísica..
Se espera que la colaboración observe a Sgr A* nuevamente en abril.
Llevamos semanas hablando de ello, pero el eclipse solar total del 8 de abril de 2024 está cada vez más cerca. Y debería ser glorioso.
En la tarde del 8 de abril, la mayoría de nosotros podremos ver el eclipse de alguna forma, pero la distancia entre su ubicación y la trayectoria de totalidad determinará qué parte del Sol será cubierta por el eclipse.
Muchos lugares de Estados Unidos experimentarán un eclipse total, durante el cual el sol quedará completamente oscurecido y, durante unos minutos, el cielo quedará sumido en la oscuridad. Otros lugares experimentarán un eclipse parcial (si el clima lo permite).
Busque su código postal a continuación para revelar el tiempo, la duración, el pico y el porcentaje del eclipse.
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El eclipse solar del 8 de abril de 2024 comenzará en el norte de México antes de dirigirse hacia los Estados Unidos, comenzando cuando la sombra de la luna pase por Texas a la 1:27 p.m. CDT.
El eclipse trazará un camino a través de Texas antes de dirigirse al noreste a través del resto del país, incluidos Oklahoma, Arkansas, Missouri, Kentucky, Indiana, Ohio, Pensilvania, Nueva York, Vermont, New Hampshire y Maine. Esto también incluye una pequeña porción del sureste del condado de Monroe, Michigan.
Hay una pequeña parte del condado de Monroe, cerca de Toledo, que se espera que esté en el camino de la totalidad. Esto significa que el área probablemente se oscurecerá y las temperaturas bajarán unos pocos grados a medida que la sombra de la luna cubra el sol.
Aquí es cuando puedes esperar ver el eclipse desde tu ciudad o región. (¿No ves el gráfico a continuación? Toca aquí.)