L'estudi, publicat recentment a Materials Today Advances, demostra com el creixement epitaxial d'una bicapa de bismut (Bi-BL) sobre compostos de la família MnBi₂Te₄ comporta la formació d'estats electrònics híbrids amb potencials aplicacions en tecnologies quàntiques avançades.

El camp dels aïllants topològics ha experimentat un ràpid progrés gràcies a la seva capacitat única per generar estats de vora sense dissipació, és a dir, canals electrònics que poden transportar un corrent sense pèrdua d'energia. Aquesta propietat podria facilitar la creació de dispositius electrònics de molt baix consum per emmagatzemar i processar informació. Els aïllants topològics magnètics, com el MnBi₂Te₄, han despertat un interès especial pel seu ordre magnètic intrínsec, que permet l'aparició de fases quàntiques exòtiques, com l'efecte Hall quàntic anòmal (QAH) i els estats d’aïllant d’axió. Aquests materials obren vies per a les tecnologies quàntiques de propera generació.

La combinació d'aïllants topològics 2D amb IMTI podria donar lloc a nous estats quàntics amb números de Chern sintonitzables, cosa que permetria un control considerable de les seves propietats electròniques i augmentaria enormement el seu potencial pràctic. Per aquest motiu, aquest estudi tenia com a objectiu sintetitzar i caracteritzar una heteroestructura composta per una bicapa de Bi sobre materials de la família MnBi₂Te₄.

Combinant l'espectroscòpia de fotoemissió d'angle resolt (ARPES) i càlculs de teoria funcional de la densitat (DFT), l'equip de recerca va descobrir que la bicapa de bismut interactua amb els estats topològics superficials del MnBi₂Te₄, creant un estat d'interfície tipus Dirac. Tot i que l'estructura general de bandes de la bicapa de bismut es va mantenir constant als diferents substrats d'IMTI, la barreja d'estats topològics superficials variava amb el substrat. La hibridació dels estats electrònics del Bi i l'IMTI suggereix que aquestes heteroestructures es podrien dissenyar per aconseguir estats quàntics d'alt nombre de Chern i, en conseqüència, amb múltiples canals de conducció de vora sense dissipació, cosa que podria millorar significativament el rendiment dels dispositius quàntics.

Les tècniques basades en llum sincrotró van tenir un paper fonamental en aquest estudi, especialment a la línia de llum LOREA de l'ALBA. Les mesures ARPES d'alta resolució realitzades a ALBA, així com a l'Elettra Sincrotrone Trieste, van permetre mapejar amb precisió l'estructura electrònica a diferents energies de fotons. Aquestes mesures van confirmar la presència d’estats d’interfície híbrids i van validar experimentalment les prediccions teòriques per a aquestes noves heteroestructures. A més, la llum de sincrotró va facilitar la realització d'experiments a temperatura controlada garantint l'estabilitat de les propietats electròniques.

Aquest estudi representa un avenç significatiu en la producció experimental d'estats quàntics d'alt nombre de Chern mitjançant heteroestructures Bi-BL/IMTI. Han demostrat amb èxit el creixement epitaxial, els estats electrònics híbrids i l'aparició d'estats vora 1D amb divisió per intercanvi, establint així les bases per a futures exploracions de fases quàntiques sintonitzables.

Espectres experimentals de nivell de nucli i dades d'ajust de les línies Bi-5d per a MnBi₂Te₄ abans (espectre inferior) i després (espectre superior) de la deposició de la bicapa. Les dades es van prendre amb una energia de fotons de 40 eV. Els requadres superior i inferior mostren les imatges LEED corresponents preses amb una energia d'electrons primària de 80 eV. (b, c) Relacions de dispersió ARPES a la regió d'energia ampla en la direcció Γ̄M̄ de la BZ de MnBi₂Te₄ preses a la temperatura de 76 K i a una energia de fotons de 21,2 eV abans (b) i després (c) de la deposició de Bi.