Patrones de muaré magnéticos desbloquean nuevos estados cuánticos en materiales topológicos

Un equipo internacional liderado por el Donostia International Physics Center (DIPC), con la participación de investigadores del Centro de Física de Materiales (CFM CSIC-EHU) y del Instituto de Nanociencia y Materiales de Aragón (INMA), ha revelado una nueva forma de diseñar estados cuánticos exóticos de la materia mediante la superposición de dos materiales muy diferentes: un imán y un aislante topológico. El resultado es una delicada superred de muaré: un patrón de interferencia a escala nanométrica que reconfigura la forma en que los electrones se mueven a través de la interfaz y revela efectos nunca antes vistos en este tipo de materiales.

Los aislantes topológicos son sustancias peculiares que en su interior se comportan como aislantes eléctricos pero presentan superficies altamente conductoras. En esas superficies, los electrones se mueven de una manera especial: su dirección de espín está ligada a su movimiento, una característica que los hace resistentes a la dispersión y prometedores para la espintrónica —la electrónica basada en el espín del electrón en lugar de en su carga—.

“Cuando el magnetismo y la topología se unen, se espera que ocurran cosas extraordinarias”, afirma Ilya Klimovskikh, del Donostia International Physics Center (DIPC), uno de los investigadores que participaron en el estudio. “Queríamos ver cómo se podían mejorar estos efectos añadiendo el ingrediente extra de un patrón muaré”, añadió.

Para ello, el equipo desarrolló capas ultrafinas de aislantes magnéticos de van der Waals —materiales conocidos como FeX₂ (donde X es cloro o bromo)— sobre la superficie del aislante topológico seleniuro de bismuto (Bi₂Se₃). Debido a que las dos redes cristalinas no se alinean perfectamente, se forma un patrón muaré en la frontera, y eso modula sutilmente la estructura electrónica.

Utilizando técnicas de vanguardia como la microscopía de efecto túnel de barrido y la espectroscopia de fotoemisión con resolución angular, los investigadores estudiaron el comportamiento de los electrones en este escenario. Descubrieron conos de Dirac replicados —signos de una modulación electrónica inducida por muaré— y diminutos huecos en el espectro energético en puntos específicos, vinculados a la interacción entre el magnetismo y el potencial de muaré.

“Estos pequeños huecos de energía son huellas de un potencial de muaré magnético que rompe localmente la simetría de inversión temporal”, explica el equipo. “Es una señal de que estamos entrando en un régimen donde el magnetismo y la topología se entrelazan a escala nanométrica”.

El descubrimiento no solo confirma que los efectos muaré pueden producirse en materiales topológicos —algo que se había teorizado durante mucho tiempo, pero que nunca había sido observado—, sino que también sugiere que esos sistemas podrían albergar nuevas fases topológicas y superconductoras, potencialmente útiles para la computación cuántica y la electrónica de bajo consumo.

“Esto es solo el comienzo”, añaden los investigadores. “La ingeniería de muaré nos brinda una perspectiva completamente nueva sobre cómo controlar los estados cuánticos entrelazados y topológicos; es como abrir un nuevo capítulo en la investigación de materiales cuánticos”.