Un transistor basado en el material 2-D ditelurida de tungsteno (WTe ₂ ) intercalado entre el nitruro de boro puede cambiar entre dos estados electrónicos diferentes, uno que conduce corriente solo a lo largo de sus bordes, convirtiéndolo en un aislante topológico, y uno que conduce corriente sin resistencia, lo que lo convierte en un superconductor, lo han demostrado investigadores del MIT y colegas de otras cuatro instituciones.

Usando medidas de cuatro sondas, una técnica común de transporte electrónico cuántico para medir el comportamiento electrónico de materiales, Los investigadores trazaron la capacidad de transporte de corriente y las características de resistencia del transistor bidimensional de ditelurida de tungsteno y confirmaron sus hallazgos en una gama de voltajes aplicados y campos magnéticos externos a temperaturas extremadamente bajas.

"Esta es la primera vez que se puede sintonizar exactamente el mismo material con un aislante topológico o con un superconductor, "dice Pablo Jarillo-Herrero, el profesor de física Cecil e Ida Green en el MIT. "Podemos hacer esto mediante un efecto de campo eléctrico regular utilizando dieléctricos estándar, básicamente, el mismo tipo de tecnología que se utiliza en la electrónica de semiconductores estándar ".

Nueva clase de materiales

"Este es el primero de una nueva clase de materiales, aislantes topológicos que se pueden sintonizar eléctricamente en superconductores, lo que abre muchas posibilidades que antes existían obstáculos importantes que realizar. Jarillo-Herrero dice:"Tener un material en el que se puede hacer esto sin problemas dentro del mismo material para hacer la transición entre este aislante topológico y el superconductor es algo que es potencialmente muy atractivo".

Ditelurida de tungsteno, que es uno de los materiales dicalcogenuro de metal de transición, se clasifica como un semimetal y conduce la electricidad como los metales a granel. Los nuevos hallazgos detallan que en una forma de cristal de una sola capa, a temperaturas desde menos de 1 kelvin hasta el rango de nitrógeno líquido (-320,4 grados Fahrenheit), ditelurida de tungsteno alberga tres fases distintas:topológicamente aislante, superconductor, y metálicos. Un voltaje aplicado impulsa la transición entre estas fases, que varían con la temperatura y la concentración de electrones. En materiales superconductores, los electrones fluyen sin resistencia y no generan calor.

Los nuevos hallazgos se han publicado en línea en la revista. Ciencias . Valla Fatemi Ph.D. '18, que ahora es un postdoctorado en Yale, y postdoctorado Sanfeng Wu, que es Pappalardo Fellow en MIT, son coautores del artículo con el autor principal Jarillo-Herrero. Los coautores son el estudiante graduado del MIT Yuan Cao; Landry Bretheau Ph.D. '18 de la École Polytechnique en Francia; Quinn D. Gibson de la Universidad de Liverpool en el Reino Unido; Kenji Watanabe y Takashi Taniguchi del Instituto Nacional de Ciencia de Materiales de Japón; y Robert J. Cava, profesor de química en la Universidad de Princeton.

Como un cable cuántico

El nuevo trabajo se basa en un informe realizado a principios de este año por los investigadores que demuestran el efecto Hall de giro cuántico (QSH), que es el fenómeno físico característico que subyace a los aislantes topológicos bidimensionales, en el mismo material de ditelurida de tungsteno de una sola capa. Esta corriente de borde está gobernada por el espín de los electrones más que por su carga, y los electrones de espín opuesto se mueven en direcciones opuestas. Esta propiedad topológica siempre está presente en el material a bajas temperaturas.

Este efecto Hall de giro cuántico persistió hasta una temperatura de aproximadamente 100 kelvin (-279,67 grados F). "Así que es el aislante topológico bidimensional de temperatura más alta hasta ahora, "dice el postdoctorado Sanfeng Wu, quien también fue un primer autor del artículo anterior. "Es muy importante que un estado cuántico interesante como este sobreviva a altas temperaturas para su uso en aplicaciones".

Este comportamiento, en el que los bordes del material de ditelurida de tungsteno actúan como un cable cuántico, fue predicho en 2014 en un artículo teórico por el profesor asociado de física Liang Fu y Ju Li, profesor de ciencia e ingeniería nuclear y ciencia e ingeniería de materiales. Se buscan materiales con estas cualidades para dispositivos de computación cuántica y espintrónica.

Aunque el fenómeno de aislamiento topológico se observó en hasta 100 kelvin, el comportamiento superconductor en el nuevo trabajo ocurrió a una temperatura mucho más baja de aproximadamente 1K.

Este material tiene la ventaja de entrar en el estado superconductor con una de las densidades de electrones más bajas para cualquier superconductor 2-D. "Eso significa que esa pequeña densidad de portadora que se necesita para convertirlo en un superconductor es una que se puede inducir con dieléctricos normales, con dieléctricos regulares, y usando un pequeño campo eléctrico, "Explica Jarillo-Herrero.

Abordando los hallazgos del comportamiento de aislamiento topológico en telururo de tungsteno 2-D en el primer artículo, y los hallazgos de superconductividad en el segundo, Wu dice, "Estos son papeles gemelos, cada uno de ellos es hermoso y su combinación puede ser muy poderosa ". Wu sugiere que los hallazgos señalan el camino para la investigación de materiales topológicos 2-D y podrían abrir el camino hacia una nueva base material para las computadoras cuánticas topológicas.

Los cristales de ditelurida de tungsteno se cultivaron en la Universidad de Princeton, mientras que los cristales de nitruro de boro se cultivaron en el Instituto Nacional de Ciencia de Materiales de Japón. El equipo del MIT construyó los dispositivos experimentales, llevó a cabo las mediciones de transporte electrónico a temperaturas ultra frías, y analizó los datos en el Instituto.

Descubrimiento simultáneo

Jarillo-Herrero señala que este descubrimiento de que la ditelurida de tungsteno monocapa se puede sintonizar en un superconductor utilizando técnicas estándar de nanofabricación de semiconductores y efecto de campo eléctrico fue realizado simultáneamente por un grupo competidor de colaboradores. incluido el profesor David Cobden de la Universidad de Washington y el profesor asociado Joshua Folk de la Universidad de Columbia Británica. (Su artículo, "Superconductividad inducida por puerta en un aislante topológico monocapa", se publica en línea al mismo tiempo en Ciencias Primer lanzamiento.)

"Se hizo de forma independiente en ambos grupos, pero ambos hicimos el mismo descubrimiento, ", Dice Jarillo-Herrero." Es lo mejor que puede suceder que su gran descubrimiento se reproduzca de inmediato. Le da más confianza a la comunidad de que esto es algo muy real ".

Jarillo-Herrero fue elegido miembro de la Sociedad Estadounidense de Física a principios de este año por sus contribuciones fundamentales al transporte electrónico cuántico y la optoelectrónica en materiales y dispositivos bidimensionales.

Paso hacia la computación cuántica

Un área particular donde esta nueva capacidad puede ser útil es la realización de modos Majorana en la interfaz de materiales topológicamente aislantes y superconductores. Primero predicho por los físicos en 1937, Los fermiones de Majorana se pueden considerar como electrones divididos en dos partes, cada uno de los cuales se comporta como una partícula independiente. Estos fermiones aún no se han encontrado como partículas elementales en la naturaleza, pero pueden emerger en ciertos materiales superconductores cerca de la temperatura del cero absoluto.

"Es interesante por sí mismo desde el punto de vista de la física fundamental, y además, tiene perspectivas de ser de interés para la computación cuántica topológica, que es un tipo especial de computación cuántica, "Dice Jarillo-Herrero.

La singularidad de los modos Majorana radica en su comportamiento exótico cuando uno intercambia sus posiciones, una operación que los físicos llaman "trenzado" porque los rastros dependientes del tiempo de estas partículas intercambiables parecen una trenza. Las operaciones de trenzado no pueden cambiar los estados cuánticos de partículas regulares como electrones o fotones, sin embargo, el trenzado de partículas de Majorana cambia su estado cuántico por completo. Esta propiedad inusual, denominadas "estadísticas no abelianas, "es la clave para realizar computadoras cuánticas topológicas. También se necesita un espacio magnético para fijar el modo Majorana en una ubicación.

"Este trabajo es bastante hermoso, "dice Jason Alicea, profesor de física teórica en Caltech, que no participó en esta investigación. "Los ingredientes básicos necesarios para la ingeniería de los modos de Majorana (superconductividad y separación de estados de borde por magnetismo) ahora se han demostrado por separado en WTe2".

"Es más, la observación de la superconductividad intrínseca mediante la activación de la puerta es potencialmente una gran ayuda para las aplicaciones avanzadas de los modos de Majorana, p.ej., trenzado para demostrar estadísticas no abelianas. Para tal fin, uno puede imaginarse el diseño de complejos, Redes dinámicamente sintonizables de estados superconductores del borde de Hall de espín cuántico por medios electrostáticos ", dice Alicea." Las posibilidades son muy interesantes ".

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.