El estudio, publicado en Materials Today Advances, demuestra cómo el crecimiento epitaxial de una bicapa de bismuto (Bi-BL) sobre compuestos de la familia MnBi₂Te₄ conlleva la formación de estados electrónicos híbridos con potenciales aplicaciones en tecnologías cuánticas avanzadas.

El campo de los aislantes topológicos ha experimentado un progreso rápido gracias a su capacidad única para generar estados borde sin disipación, es decir, canales electrónicos que pueden transportar una corriente sin pérdida de energía. Esta propiedad podría facilitar la creación de dispositivos electrónicos de muy bajo consumo para almacenar y procesar información. Los aislantes topológicos magnéticos, como el MnBi₂Te₄, han despertado especial interés por su orden magnético intrínseco, que permite la aparición de fases cuánticas exóticas, como el efecto Hall cuántico anómalo (QAH) y los estados de aislante de axión. Estos materiales allanan el camino para las tecnologías cuánticas de próxima generación.

La combinación de aislantes topológicos 2D con IMTIs podría dar lugar a nuevos estados cuánticos con números de Chern sintonizables, lo que permitiría un control considerable de sus propiedades electrónicas y aumentaría enormemente su potencial práctico. Por este motivo, este estudio tenía como objetivo sintetizar y caracterizar una heteroestructura compuesta por una bicapa de Bi sobre materiales de la familia MnBi₂Te₄.

Combinando la espectroscopia de fotoemisión de ángulo resuelto (ARPES) y cálculos de teoría funcional de la densidad (DFT), el equipo de investigación descubrió que la bicapa de bismuto interactúa con los estados topológicos superficiales del MnBi₂Te₄, creando un estado de interfaz tipo Dirac. Aunque la estructura general de bandas de la bicapa de bismuto se mantuvo constante en los distintos sustratos de IMTI, la mezcla de estados topológicos superficiales variaba con el sustrato. La hibridación de los estados electrónicos del Bi y el IMTI sugiere que estas heteroestructuras podrían diseñarse para conseguir estados cuánticos de alto número de Chern y, en consecuencia, con múltiples canales de conducción de borde sin disipación, lo que podría mejorar significativamente el rendimiento de los dispositivos cuánticos.

Las técnicas basadas en luz de sincrotrón desempeñaron un papel fundamental en este estudio, especialmente en la línea de luz LOREA de ALBA. Las medidas ARPES de alta resolución realizadas en ALBA, así como en el Elettra Sincrotrone Trieste, permitieron mapear con precisión la estructura electrónica a diferentes energías de fotones. Estas medidas confirmaron la presencia de estados de interfaz híbrida y validaron experimentalmente las predicciones teóricas para estas nuevas heteroestructuras. Además, la luz de sincrotrón facilitó la realización de experimentos a temperatura controlada, garantizando la estabilidad de las propiedades electrónicas.

Este estudio representa un avance significativo en la producción experimental de estados cuánticos de alto número de Chern mediante heteroestructuras Bi-BL/IMTI. Han demostrado con éxito el crecimiento epitaxial, los estados electrónicos híbridos y la aparición de estados borde 1D con división por intercambio, sentando así las bases para futuras exploraciones de fases cuánticas sintonizables.

Espectros experimentales de nivel de núcleo y datos de ajuste de las líneas Bi-5d para MnBi₂Te₄ antes (espectro inferior) y después (espectro superior) de la deposición de la bicapa. Los datos se tomaron con una energía de fotones de 40 eV. Los recuadros superior e inferior muestran las correspondientes imágenes LEED tomadas con una energía de electrones primaria de 80 eV. (b, c) Relaciones de dispersión ARPES en la región de energía ancha en la dirección Γ̄M̄ de la BZ de MnBi₂Te₄ tomadas a la temperatura de 76 K y a una energía de fotones de 21,2 eV antes (b) y después (c) de la deposición de Bi.