El invento del microscopio marcó un punto de inflexión en la historia de la ciencia, puesto que abrió una ventana a mundos invisibles hasta entonces. Desde los primeros microscopios ópticos del siglo XVII, que permitieron a científicos como Anton van Leeuwenhoek observar por primera vez organismos microscópicos, hasta los modernos microscopios electrónicos capaces de revelar detalles a nivel atómico, estas herramientas han transformado nuestra comprensión de la naturaleza. ¿Cuántos tipos de microscopios hay? Muchos. Por ejemplo, el microscopio óptico permitió descubrir células, bacterias y tejidos complejos, sentando las bases de la biología y la medicina modernas. La microbiología, por ejemplo, sería impensable sin el microscopio. Efectivamente, la invención del microscopio electrónico a mediados del siglo XX amplió aún más el alcance, revelando la estructura interna de virus y moléculas. En la actualidad, con el desarrollo de técnicas como la microscopía de fuerza atómica y la microscopía de barrido de rayos X, los científicos pueden explorar la materia a nivel cuántico, acercándose al "corazón" de los átomos y desentrañando los misterios de sus propiedades fundamentales. La tecnología nos permite "ver" lo que no podemos ver con los ojos hasta el punto de conseguir apreciar las imágenes más sorprendentes del mundo.
En la física de la materia condensada, las transiciones de fase topológica representan un fenómeno cuántico que cambia las propiedades fundamentales de un material sin alterar su estructura atómica. Estas transiciones implican cambios en la conexión cuántica de las partículas, a menudo relacionados con el entrelazamiento cuántico. Los materiales que muestran fases topológicas pueden presentar propiedades inusuales, como ser aislantes en su interior pero conductores en la superficie. Estas características los hacen prometedores para aplicaciones avanzadas en el campo de la optoelectrónica y la computación cuántica. Sin embargo, estudiar estas fases en materiales ultracortos ha sido un reto debido a las limitaciones en las técnicas de medición actuales.
En un artículo publicado recientemente en Reports on Progress in Physics, un equipo de investigadores internacionales, liderados por la Universidad Autónoma de Madrid (UAM), presenta un avance significativo para superar estas dificultades. Han desarrollado un nuevo método de espectroscopía de absorción de rayos X, que permite detectar directamente transiciones de fase topológica con una alta resolución temporal y energética, abriendo así nuevas oportunidades para explorar estos fenómenos en materiales complejos.
Topología cuántica y nuevas fases de la materia
En la materia ordinaria, los sólidos, líquidos y gases se definen por la organización espacial de sus átomos. Sin embargo, en el ámbito cuántico emergen nuevas fases que no dependen de esta organización, sino de las propiedades topológicas del material. Estas propiedades están determinadas por el entrelazamiento cuántico, donde las partículas interactúan de manera no local, creando un patrón complejo que define la fase topológica del sistema.
Las fases topológicas son particularmente interesantes debido a su robustez frente a perturbaciones externas. Esto significa que, incluso si el material se ve afectado por impurezas o defectos, sus propiedades topológicas se mantienen inalteradas. Esta característica ha llevado a los científicos a investigar su potencial en tecnologías como la computación cuántica, donde la coherencia cuántica es esencial. Por otra parte, los materiales con fases topológicas pueden actuar como aislantes en su volumen, pero conductores en sus bordes, lo que los convierte en candidatos ideales para dispositivos optoelectrónicos de alta eficiencia.
Limitaciones de las técnicas actuales
Detectar y estudiar las fases topológicas en materiales complejos ha sido todo un reto, especialmente cuando estos materiales son inducidos por pulsos de láser ultracortos. En estos casos, los cambios en las propiedades cuánticas del material solo ocurren durante la duración del pulso láser, lo que implica la necesidad de técnicas de sondeo ultrarrápido. Sin embargo, las técnicas tradicionales de espectroscopía enfrentan limitaciones significativas: cuando se acortan los pulsos para capturar estas dinámicas rápidas, la resolución energética se ve afectada, dificultando el análisis detallado de los estados electrónicos.
Para superar estas limitaciones, los investigadores de la Universidad Autónoma de Madrid han desarrollado un nuevo enfoque basado en la espectroscopía de absorción de rayos X ultrarrápida. Este método permite capturar transiciones de fase topológica directamente, manteniendo una alta resolución energética incluso con pulsos ultracortos. Según los autores del estudio, “nuestro esquema ultrarrápido es muy sensible a las transiciones de fase topológica”, lo que representa un avance significativo para el estudio de materiales con aplicaciones en optoelectrónica.
Un enfoque innovador: Esquema ultrarrápido de rayos X
El experimento numérico presentado por el equipo utiliza un esquema de dos pulsos ultracortos: un pulso de rayos X polarizado linealmente y un pulso infrarrojo polarizado circularmente. Ambos interactúan con una monocapa de nitruro de boro hexagonal (hBN), un material conocido por sus propiedades electrónicas. El pulso de rayos X excita electrones desde los estados fundamentales hacia la banda de conducción, mientras que el pulso infrarrojo induce movimientos electrónicos intensos dentro de la banda.
Al variar la polarización del pulso infrarrojo, los investigadores lograron observar cambios en la absorción de los rayos X, lo que permitió inferir la fase topológica del material. Este fenómeno se conoce como dicroísmo inducido por láser, y en este caso, se manifiesta como una diferencia en el espectro de absorción al cambiar la polarización del pulso infrarrojo. Los resultados obtenidos muestran que el método es capaz de detectar transiciones de fase topológica con una precisión sin precedentes.
Perspectivas para la investigación en optoelectrónica
El desarrollo de este nuevo enfoque tiene implicaciones significativas para el estudio de materiales con aplicaciones en optoelectrónica. Los materiales topológicos inducidos por luz, como los aislantes de Floquet, solo existen durante el tiempo que dura el pulso de láser. Esto implica que para estudiar sus propiedades es necesario utilizar sondas ultrarrápidas, como la espectroscopía de absorción de rayos X propuesta en este estudio.
El método también podría aplicarse a materiales topológicos y sistemas con diferentes simetrías espaciales. Esto abre la puerta a explorar fenómenos como los estados de borde protegidos por simetría y los aislantes de tipo Chern, expandiendo así el rango de investigaciones posibles en el campo de la física de la materia condensada. "El siguiente paso es diseñar un experimento que nos permita comprobar esta idea en un escenario real", dicen los autores.
Referencias
- Mosquera J. F. P., Cistaro G., Malakhov M., Pisanty E., Dauphin A., Plaja L., Chacón A., Lewenstein M., y Picón A. (2024). Topological phase transitions via attosecond x-ray absorption spectroscopy. Reports on Progress in Physics, 87, 117901. DOI: 10.1088/1361-6633/ad889f.
