La moda está cambiando en el mundo de vanguardia de los materiales de componentes informáticos de próxima generación. Los semiconductores tradicionales como el silicio están lanzando sus últimas líneas nuevas. Los materiales exóticos llamados aislantes topológicos (TI) están en camino. Y cuando se trata de enfriar, el nitrógeno es el nuevo helio.

Esto se mostró claramente en un experimento novedoso en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) que fue realizado por una colaboración multiinstitucional que incluyó a UCLA, NIST y el Instituto de Tecnología de Beijing en China.

Los aislantes topológicos son una nueva clase de materiales que se descubrieron hace menos de una década después de trabajos teóricos anteriores, reconocido en el Premio Nobel de Física 2016, predijo que podrían existir. Los materiales son aislantes eléctricos en el interior y conducen la electricidad en la superficie exterior. Son emocionantes para los diseñadores de computadoras porque la corriente eléctrica viaja a lo largo de ellos sin derramar calor, lo que significa que los componentes fabricados con ellos podrían reducir la alta producción de calor que afecta a las computadoras modernas. También podrían aprovecharse algún día en computadoras cuánticas, que explotaría propiedades menos familiares de los electrones, como su giro, para realizar cálculos de formas completamente nuevas. Cuando los TI conducen electricidad, todos los electrones que fluyen en una dirección tienen el mismo espín, una propiedad útil que los diseñadores de computadoras cuánticas podrían aprovechar.

Las propiedades especiales que hacen que los TI sean tan emocionantes para los tecnólogos generalmente se observan solo a temperaturas muy bajas, requiriendo típicamente helio líquido para enfriar los materiales. Esta demanda de frío extremo no solo hace que sea poco probable que los TI encuentren uso en la electrónica hasta que se supere este problema, pero también dificulta su estudio en primer lugar.

Es más, Hacer que los TI sean magnéticos es clave para desarrollar nuevos y emocionantes dispositivos informáticos con ellos. Pero incluso llevarlos al punto en que puedan magnetizarse es un proceso laborioso. Dos formas de hacer esto han sido infundir, o "droga, "el TI con una pequeña cantidad de metal magnético y / o para apilar capas delgadas de TI entre capas alternas de un material magnético conocido como ferromagnet. Sin embargo, aumentar el dopaje para aumentar la temperatura altera las propiedades de TI, mientras que el magnetismo más poderoso de las capas alternativas puede abrumar a los TI, haciéndolos difíciles de estudiar.

Para solucionar estos problemas, Los científicos de UCLA probaron una sustancia diferente para las capas alternas:un antiferromagnet. A diferencia de los imanes permanentes de su frigorífico, cuyos átomos tienen polos norte que apuntan en la misma dirección, los materiales antiferromagnéticos multicapa (AFM) tenían polos norte apuntando en una dirección en una capa, y al revés en la siguiente capa. Debido a que el magnetismo de estas capas se anula entre sí, el AFM general no tiene magnetismo neto, pero una sola capa de sus moléculas sí. Era la capa más externa del AFM que el equipo de UCLA esperaba explotar.

Afortunadamente, encontraron que la influencia de la capa más externa magnetiza el TI, pero sin la fuerza abrumadora que traerían los materiales magnéticos utilizados anteriormente. Y descubrieron que el nuevo enfoque permitía que los TI se volvieran magnéticos y demostraran todos los atractivos distintivos de los TI a temperaturas muy por encima de 77 Kelvin, todavía demasiado frías para su uso como componentes electrónicos de consumo. pero lo suficientemente calientes como para que los científicos puedan usar nitrógeno para enfriarlos.

"Los hace mucho más fáciles de estudiar, "dice Alex Grutter del NIST Center for Neutron Research, que se asoció con los científicos de UCLA para aclarar las interacciones entre las capas del material en general, así como su estructura de giro.

"No solo podemos explorar las propiedades de TI más fácilmente, pero estamos emocionados porque para un físico, Encontrar una forma de aumentar la temperatura operativa sugiere drásticamente que podría haber otras formas accesibles de aumentarla nuevamente. Repentinamente, los TI a temperatura ambiente no parecen estar tan lejos de su alcance ".