Desorden que no estorba: topología en una película fina exprés
Un suelo de mosaico formado por muchas baldosas pequeñas, giradas en direcciones distintas. Parecería que cualquier patrón que intente atravesar ese suelo debería desordenarse y desaparecer. Así se piensa normalmente del desorden en los cristales: si los átomos no están alineados en una red perfecta, los efectos cuánticos sutiles deberían destruirse. Pero en una película fina de solo 65 nanómetros de un compuesto de hierro y silicio (ε-FeSi), todo es diferente.
En este material se detectó un efecto Hall anómalo robusto: el voltaje transversal aparece sin ningún campo magnético externo y no cambia al enfriar desde 200 K hasta las temperaturas más bajas. Esa constancia recuerda a la aguja de una brújula, que siempre señala al norte, incluso si sacudes la brújula o la das la vuelta. Es una indicación directa de que el efecto no nace del dispersión en defectos, sino de la geometría interna de las nubes electrónicas — la llamada fase de Berry (la torsión de la función de onda del electrón al recorrer un camino cerrado en el cristal).
Mediciones adicionales revelaron otro rasgo característico de los semimetales de Weyl — materiales donde los electrones se comportan como partículas sin masa con una «mano» (quiralidad) definida. En la magnetorresistencia y en el efecto Hall planar se manifestó la llamada anomalía quiral: cuando los campos eléctrico y magnético son paralelos, el número de electrones con una «mano» deja de conservarse, lo que crea una contribución inusual a la corriente. A partir de la magnitud de la conductividad Hall anómala, incluso se pudo estimar la distancia entre los dos puntos de Weyl en el espacio de momentos: aproximadamente 0.36 en unidades arbitrarias.
La película de ε-FeSi resultó ser un hueso duro de roer para el desorden. Su carácter topológico sobrevive a temperatura ambiente y no requiere metales raros costosos. Esto abre el camino a dispositivos baratos y fiables que aprovechen las propiedades cuánticas en condiciones ordinarias. Y así, el patrón de mosaico de los granos no destruye la danza sutil de los electrones — solo le añade robustez.
El efecto Hall anómalo en esta película es tan estable que podría usarse como patrón de resistencia: la conductividad permanece constante en un amplio rango de temperaturas, como si estuviera congelada.
En la novela de Arthur C. Clarke «El fin de la infancia», los extraterrestres usan materiales con una geometría interna inusual para controlar la gravedad. Los semimetales topológicos son un paso hacia el control de los electrones mediante la geometría de sus estados cuánticos.