Los físicos de la Universidad de Würzburg han hecho un descubrimiento asombroso en un tipo específico de aislantes topológicos. El efecto se debe a la estructura de los materiales utilizados. Los investigadores ahora han publicado su trabajo en la revista. Ciencias .

Los aislantes topológicos son actualmente el tema candente en física según el periódico Neue Zürcher Zeitung. Hace solo unas semanas, su importancia se destacó nuevamente cuando la Real Academia Sueca de Ciencias en Estocolmo otorgó el Premio Nobel de Física de este año a tres científicos británicos por su investigación de las llamadas transiciones de fase topológica y fases topológicas de la materia.

Los aisladores topológicos también se están estudiando en los Departamentos de Física Experimental II y Física Teórica I de la Universidad de Würzburg. Sin embargo, se centran en una versión especial de aisladores denominados aislantes cristalinos topológicos (TCI). En cooperación con la Academia de Ciencias de Polonia en Varsovia y la Universidad de Zúrich, Los físicos de Würzburg ahora han logrado un gran avance. Pudieron detectar nuevos estados electrónicos de la materia en estos aislantes. Los resultados de su trabajo se publican en el último número de Ciencias .

Bordes escalonados electrones directos

El resultado central:cuando los materiales cristalinos se dividen, pequeñas terrazas atómicamente planas emergen en las superficies divididas que están separadas entre sí por bordes escalonados. Dentro de estas estructuras, Se forman canales conductores para corrientes eléctricas que son extremadamente estrechos a unos 10 nm y sorprendentemente robustos contra perturbaciones externas. Los electrones viajan en estos canales conductores con diferentes espines en direcciones opuestas, similar a una autopista con carriles separados para las dos direcciones. Este efecto hace que los materiales sean interesantes para aplicaciones tecnológicas en futuros componentes electrónicos, como computadoras ultrarrápidas y energéticamente eficientes.

"Los TCI son relativamente simples de producir y ya se diferencian de los materiales convencionales debido a su estructura cristalina especial, "El Dr. Paolo Sessi explica los antecedentes del artículo publicado recientemente. Sessi es investigador en el Departamento de Física Experimental II y autor principal del estudio. Además, Estos materiales deben su especial calidad a sus propiedades electrónicas:En materiales topológicos, la dirección del giro determina la dirección en la que viajan los electrones. Simplemente pon, el "espín" se puede interpretar como un dipolo magnético que puede apuntar en dos direcciones ("arriba" y "abajo"). Respectivamente, Los electrones de giro ascendente en las TCI se mueven en una dirección y los electrones de giro descendente en la otra dirección.

Se trata de la cantidad de capas atómicas.

"Pero anteriormente los científicos no sabían cómo producir los canales conductores necesarios para este fin, "dice el profesor Matthias Bode, Jefe del Departamento de Física Experimental II y coautor del estudio. Fue la casualidad lo que puso a los investigadores en el camino correcto:descubrieron que los canales conductores muy estrechos ocurren naturalmente al dividir el seleniuro de plomo y estaño (PbSnSe), un aislante cristalino.

Los bordes escalonados en las superficies de los fragmentos causan este fenómeno. Se pueden obtener imágenes utilizando un microscopio de túnel de barrido de alta resolución, o más precisamente, la altura de los bordes del escalón correspondientes. "Los bordes que unen un número par de capas atómicas son totalmente discretos. Pero si los bordes abarcan un número impar de capas atómicas, Se crea un área pequeña de unos 10 nm de ancho que tiene las propiedades de los canales conductores electrónicos que estábamos buscando, "Sessi explica.

El patrón se rompe en el borde

Con el apoyo de sus colegas del Departamento de Física Teórica I y la Universidad de Zurich, los físicos experimentales pudieron arrojar luz sobre el origen de estos nuevos estados electrónicos. Para entender el principio, se requiere un poco de sentido espacial:

"La estructura cristalina provoca un diseño de los átomos donde los diferentes elementos se alternan como los cuadrados blancos y negros de un tablero de ajedrez, "Matthias Bode explica. Este patrón alterno en blanco y negro se aplica tanto a los cuadrados que son adyacentes como a los cuadrados situados debajo y encima del otro.

Entonces, si la grieta de este cristal atraviesa diferentes capas atómicas, allí se crea más de un borde. Visto desde arriba los cuadrados blancos también pueden colindar con otros cuadrados blancos a lo largo de este borde y los cuadrados negros con otros cuadrados negros, o átomos idénticos con átomos idénticos. Sin embargo, esto solo funciona si un número impar de capas atómicas es responsable de la diferencia de altura de las dos superficies.

Respaldado por cálculos

"Los cálculos muestran que este desplazamiento en la superficie es en realidad causante de estos nuevos estados electrónicos, "dice Paolo Sessi. Además, demuestran que el fenómeno de los canales conductores dependientes del espín, que es característico de los materiales topológicos, ocurre aquí también.

Según los científicos, esta propiedad en particular hace que el descubrimiento sea relevante para aplicaciones potenciales, debido a que tales canales conductores causan bajas pérdidas de conducción por un lado y pueden usarse directamente para transmitir y procesar información en el campo de la espintrónica por el otro.

Sin embargo, Es necesario responder a varias preguntas y superar desafíos antes de que esto se convierta en realidad. Por ejemplo, los científicos aún no están seguros de a qué distancias se pueden transportar las corrientes en los canales conductores recién descubiertos. También, para ser implementado en circuitos, tendrían que desarrollarse métodos que permitan crear bordes escalonados de una altura definida a lo largo de direcciones específicas.