En un nuevo descubrimiento sorprendente, alfa-estaño, comúnmente llamado estaño gris, exhibe una fase electrónica novedosa cuando se tensa su estructura cristalina, colocándolo en una nueva y rara clase de materiales 3D llamados semimetales de Dirac topológicos (TDS). Solo se sabe que existen otros dos materiales de TDS, descubierto tan recientemente como 2013. Alpha-tin ahora se une a esta clase como su único miembro de elemento simple.

Este descubrimiento es prometedor para la física novedosa y muchas aplicaciones potenciales en tecnología. Los hallazgos son obra de Caizhi Xu, estudiante de posgrado en física en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, trabajando bajo la U. de I. Profesor Tai-Chang Chiang y en colaboración con científicos de la Fuente de Luz Avanzada en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley y otras seis instituciones a nivel internacional.

Los TDS exhiben propiedades electrónicas similares a las de los ahora muy estudiados aislantes topológicos (TI) en sus superficies. Las superficies de los TI permiten que los electrones se conduzcan libremente como un metal, mientras que el "bulto" o interior se comporta como aislante. Los electrones de superficie se comportan como fermiones de Dirac polarizados en espín sin masa 2D que son robustos contra impurezas no magnéticas, que produce aplicaciones potenciales en dispositivos espintrónicos y computación cuántica tolerante a fallas.

Por el contrario, los electrones a granel en los TDS se comportan como fermiones de Dirac sin masa en las tres dimensiones, lo que conduce a posibilidades adicionales para nuevos comportamientos físicos.

Xu explica, "Los TDS son de gran interés para los físicos de materia condensada, principalmente porque exhiben una serie de propiedades físicas novedosas, incluyendo movilidad de portador ultra alta, magnetorresistencia lineal gigante, anomalía quiral, y nuevas oscilaciones cuánticas. En segundo lugar, esta clase de materiales puede realizar muchas fases topológicas interesantes, en condiciones controladas, el material puede sufrir transiciones de fase y convertirse en un aislante topológico, un semimetal de Weyl, o un superconductor topológico ".

El estaño tiene dos alótropos bien conocidos:a 13,2 ° C y más, lata blanca, o beta-estaño, es metálico. Por debajo de esa temperatura, la estructura atómica de las transiciones del estaño, y el material se vuelve estaño gris, o alfa-estaño, que es semimetálica. En películas delgadas cultivadas sobre un sustrato como el antimonuro de indio (InSb), sin embargo, la temperatura de transición del estaño sube a 200 ° C, lo que significa que el alfa-estaño permanece estable muy por encima de la temperatura ambiente.

Normalmente, La estructura cristalina cúbica de diamante del alfa-estaño exhibe una fase semimetálica ordinaria, y el material no tiene usos comunes en la actualidad. De hecho, El estaño gris puede ser problemático en muchas aplicaciones que involucran estaño - el llamado problema de la "plaga del estaño" es la formación de estaño gris que causa la desintegración de las partes que contienen estaño blanco.

En su experimento, Xu y col. diseñó una tensión en el material mediante el cultivo de muestras de alfa-estaño en capas sobre un sustrato de otro material cristalino, InSb, que tiene una constante de celosía ligeramente diferente.

"Ese desajuste de celosía genera tensión, o compresión, en el alfa-estaño, "Xu continúa explicando." Se creía que la tensión abriría una banda prohibida en lata gris y la convertiría en un TI. En unos pocos estudios recientes, los investigadores observaron estados de superficie topológicos en estaño filtrado, pero no observaron la banda prohibida inducida por tensión porque no pudieron acceder a la banda de conducción. En este estudio, utilizamos dopaje con potasio y con este sencillo método pudimos alcanzar la banda de conductancia. Pudimos ver la dispersión de banda lineal y sin espacios que es el sello distintivo de un semimetal de Dirac.

"Este descubrimiento es algo inesperado. Decidí estudiar el material debido a su conocida fase de TI. Una vez que indagué en los resultados experimentales y realicé algunos cálculos teóricos, lo que encontré es que el alfa-estaño bajo una tensión de compresión no es un aislante, como se había pensado. Resulta ser un semimetal de Dirac. Nuestros cálculos también muestran que es sólo bajo una tensión de tracción que el alfa-estaño se convierte en un TI ".

Chiang cree que estos hallazgos abrirán nuevas vías de investigación:"El trabajo de Caizhi Xu ilustra que todavía se puede encontrar nueva física interesante en materiales comunes simples, como lata gris, que se conoce y se estudia desde hace décadas ".

"De este estudio queda claro que la ingeniería de deformaciones puede abrir muchas posibilidades, "Chiang continúa." Mi grupo está explorando una forma diferente de aplicar tensión, estirando mecánicamente una muestra. La cepa será uniaxial, solo en una dirección, y será sintonizable, pero limitado por la rotura de la muestra ".

La humanidad ha extraído y utilizado estaño en aleaciones desde la Edad del Bronce, C. 3.000 ANTES DE CRISTO. Antes de la llegada de las latas de aluminio, latas, que en realidad eran de acero revestido de estaño, se utilizaron en la conservación de alimentos. Con este descubrimiento, El alfa-estaño puede resultar un material muy útil en tecnologías futuras.

Xu comparte, "Las aplicaciones potenciales del alfa-estaño como semimetal topológico de Dirac podrían incluir aprovechar su alta movilidad de portadora para generar dispositivos electrónicos ultrarrápidos. Además, la resistencia magneto gigante podría ser útil en el desarrollo de dispositivos de almacenamiento ultracompactos, como discos duros de computadora.

"Es más, este material podría ser una plataforma para futuras investigaciones fundamentales relacionadas con las propiedades ópticas, o para transportar propiedades, incluida la superconductividad. Incluso existe la posibilidad de que se pueda utilizar como plataforma para realizar fermiones de Majorana. Creo que nuestro nuevo hallazgo será de interés para muchos físicos ".

Estos hallazgos se publican en el 4 de abril de 2017 Cartas de revisión física , en el artículo "Elemental topológico Dirac semimetal α-Sn en InSb".