Los aislantes topológicos tridimensionales son materiales que pueden conducir corriente eléctrica sin resistencia, pero solo en su superficie. Sin embargo, este efecto es difícil de medir. Esto se debe a que estos materiales suelen tener poca superficie en relación con su volumen, lo que significa que sus propiedades de transporte están dominadas por los graneleros.

Los físicos de la Universidad de Bielefeld ahora han tenido éxito en el desarrollo de aislantes topológicos basados ​​en nanopartículas diminutas y, por lo tanto, han podido demostrar el transporte de carga en la superficie. El estudio se realizó en cooperación con investigadores de la Universidad de Duisburg-Essen y el Instituto Leibniz de Investigación de Materiales y Estado Sólido de Dresde. Los científicos han publicado hoy sus resultados en la revista Pequeña .

Los aislantes topológicos tienen propiedades que solo puede describir la física cuántica. Lo que tiene de especial estos materiales cuánticos es que su volumen no conduce la electricidad en absoluto o solo muy mal. mientras que los portadores de carga pueden moverse sin interferencia en los canales de transporte protegidos en su superficie. El telururo de bismuto compuesto es un material con tales canales de transporte protegidos.

"Muestras macroscópicamente grandes de estos aislantes topológicos tridimensionales, sin embargo, tienen un volumen muy alto en comparación con su superficie. Como resultado, hay muchos más transportistas de carga a granel, lo que significa que su transporte de carga deficiente domina sobre el transporte de carga en la superficie, ", dice el profesor Dr. Gabi Schierning, del grupo de investigación Thin Films and Physics of Nanotructures en la Universidad de Bielefeld." Aunque las propiedades especiales de transporte de los aislantes topológicos tridimensionales se predicen en teoría, es difícil examinarlos en experimentos ".

Para solucionar este problema, los científicos están usando nanopartículas. Debido a que estas partículas son tan pequeñas, tienen una gran superficie en relación a su volumen. Schierning y sus colegas ahora han comprimido nanopartículas de telururo de bismuto en gránulos de cinco milímetros de ancho y 0,5 milímetros de espesor, y han producido un aislante topológico tridimensional compuesto de nanounidades.

Muestras de material macroscópico con numerosas interfaces

"Con este truco, logramos crear muestras de material macroscópico con un elevado número de interfaces y superficies. Nuestro estudio muestra que los portadores de carga protegidos en estas superficies se pueden examinar y que la corriente eléctrica se conduce muy bien allí. "dice Sepideh Izadi, estudiante de doctorado en el grupo de investigación de Schierning y autor principal del estudio. Schierning agrega que su "diseño de material especial nos ha permitido descubrir propiedades que conocemos de la teoría pero que no podíamos ver antes. Eso es lo que hace que el trabajo sea tan especial para mí".

El estudio se llevó a cabo en estrecha colaboración con científicos de la Universidad de Duisburg-Essen y el Instituto Leibniz de Investigación de Materiales y Estado Sólido de Dresde. Primero, las muestras de material se prepararon en el grupo de investigación del profesor Dr. Stephan Schulz de la Universidad de Duisburg-Essen. Esto requirió mucho trabajo:las nanopartículas deben tener superficies muy limpias, por ejemplo, y no reaccionar con el medio ambiente. "También tienen que unirse para que se peguen entre sí, como construir un castillo de arena, pero al mismo tiempo, no deben compactarse tanto que se pierdan los canales de transporte protegidos en las interfaces, "dice Schierning.

Luego, los investigadores utilizaron varios métodos para investigar el transporte de carga en las interfaces y superficies. Junto con colegas del Instituto Leibniz de Investigación de Materiales y Estado Sólido en Dresde, por ejemplo, los científicos de Bielefeld midieron qué tan bien la muestra de material conduce la corriente en diferentes condiciones, como a diferentes temperaturas o con diferentes campos magnéticos. "Los hallazgos son una clara indicación de los mecanismos de transporte de un aislante topológico tridimensional, "dice Schierning.

Las investigaciones se completaron con espectroscopía de terahercios, del cual fue responsable el equipo de investigación del profesor Dr. Martin Mittendorff de la Universidad de Duisburg-Essen. En este proceso, la muestra se excita con ondas electromagnéticas en el rango de terahercios y se mide la radiación reflejada. Aquí, también, Se observaron fenómenos especiales que solo ocurren en aisladores topológicos tridimensionales, e incluso a temperaturas tan bajas como menos 70 grados Celsius, temperaturas bastante altas para tal efecto.

"Nuestro estudio muestra que los aislantes topológicos tridimensionales se pueden realizar en una escala macroscópica y mostrar sus propiedades a temperaturas comparativamente altas. Este es un paso significativo en la investigación fundamental, y uno que también podría ser importante para aplicaciones potenciales, pero todavía estamos muy lejos de eso, ", dice Schierning. Los aislantes topológicos tridimensionales podrían usarse en computadoras cuánticas, por ejemplo.