Un equipo internacional de investigadores, trabajando en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía (Berkeley Lab) y UC Berkeley, fabricó un material atómicamente delgado y midió sus exóticas y duraderas propiedades que lo convierten en un candidato prometedor para una rama incipiente de la electrónica conocida como "espintrónica".

El material, conocido como 1T'-WTe2, une dos campos de investigación florecientes:el de los llamados materiales 2-D, que incluyen materiales monocapa como el grafeno que se comportan de formas diferentes a sus formas más gruesas; y materiales topológicos, en el que los electrones pueden girar de manera predecible sin casi ninguna resistencia e independientemente de los defectos que normalmente impedirían su movimiento.

En los bordes de este material, el giro de los electrones, una propiedad de la partícula que funciona un poco como la aguja de una brújula que apunta al norte o al sur, y su impulso están estrechamente vinculados y son predecibles.

Esta última evidencia experimental podría elevar el uso del material como sujeto de prueba para aplicaciones de próxima generación, como una nueva generación de dispositivos electrónicos que manipulan su propiedad de giro para transportar y almacenar datos de manera más eficiente que los dispositivos actuales. Estos rasgos son fundamentales para la espintrónica.

El material se llama aislante topológico porque su superficie interior no conduce electricidad, y su conductividad eléctrica (el flujo de electrones) está restringida a sus bordes.

"Este material debería ser muy útil para estudios de espintrónica, "dijo Sung-Kwan Mo, un físico y científico del personal de la fuente de luz avanzada (ALS) de Berkeley Lab que codirigió el estudio, publicado hoy en Física de la naturaleza .

"El flujo de electrones está completamente relacionado con la dirección de sus espines, y se limita solo a los bordes del material, "Mo dijo." Los electrones viajarán en una dirección, y con un tipo de giro, que es una cualidad útil para los dispositivos espintrónicos ". Tales dispositivos posiblemente podrían transportar datos de manera más fluida, con menores demandas de energía y acumulación de calor que las típicas de los dispositivos electrónicos actuales.

"Estamos entusiasmados con el hecho de que hemos encontrado otra familia de materiales en la que podemos explorar la física de los aislantes topológicos en 2-D y hacer experimentos que pueden conducir a futuras aplicaciones". "dijo Zhi-Xun Shen, profesor de Ciencias Físicas en la Universidad de Stanford y Asesor de Ciencia y Tecnología en SLAC National Accelerator Laboratory, quien también codirigió el esfuerzo de investigación. "Se sabe que esta clase general de materiales es robusta y se mantiene bien en diversas condiciones experimentales, y estas cualidades deberían permitir que el campo se desarrolle más rápido, "añadió.

El material fue fabricado y estudiado en la ALS, una instalación de investigación de rayos X conocida como sincrotrón. Shujie Tang, investigador postdoctoral visitante en Berkeley Lab y la Universidad de Stanford, y coautor principal del estudio, fue fundamental en el cultivo de muestras cristalinas de 3 átomos de espesor del material en un compartimento sellado al vacío en el ALS, utilizando un proceso conocido como epitaxia de haz molecular.

Las muestras de alta pureza se estudiaron luego en la ALS utilizando una técnica conocida como ARPES (o espectroscopia de fotoemisión resuelta en ángulo), que proporciona una poderosa prueba de las propiedades de los electrones de los materiales.

"Después de refinar la receta de crecimiento, lo medimos con ARPES. Inmediatamente reconocimos la estructura electrónica característica de un aislante topológico 2-D, "Tang dijo, basado en teoría y predicciones. "Fuimos los primeros en realizar este tipo de medición en este material".

Pero debido a que la parte conductora de este material, en su borde más externo, medía solo unos pocos nanómetros de espesor, miles de veces más delgado que el foco del haz de rayos X, era difícil identificar positivamente todas las propiedades electrónicas del material.

Entonces, los colaboradores de UC Berkeley realizaron mediciones adicionales a escala atómica utilizando una técnica conocida como STM, o microscopía de túnel de barrido. "STM midió su estado de borde directamente, así que esa fue una contribución realmente clave, "Dijo Tang.

El esfuerzo de investigación, que comenzó en 2015, involucró a más de dos docenas de investigadores en una variedad de disciplinas. El equipo de investigación también se benefició del trabajo computacional en el Centro Nacional de Computación Científica de Investigación Energética de Berkeley Lab (NERSC).

Los materiales bidimensionales tienen propiedades electrónicas únicas que se consideran clave para adaptarlos a aplicaciones de espintrónica. y hay un esfuerzo de I + D muy activo en todo el mundo centrado en adaptar estos materiales para usos específicos apilando selectivamente diferentes tipos.

"Los investigadores intentan colocarlos uno encima del otro para modificar el material como lo deseen, como bloques de Lego, "Mo dijo." Ahora que tenemos pruebas experimentales de las propiedades de este material, queremos combinarlo con otros materiales para ver cómo cambian estas propiedades ".

Un problema típico al crear tales materiales de diseño a partir de capas atómicamente delgadas es que los materiales suelen tener defectos a nanoescala que pueden ser difíciles de eliminar y que pueden afectar su rendimiento. Pero debido a que 1T'-WTe2 es un aislante topológico, sus propiedades electrónicas son resistentes por naturaleza.

"A nanoescala, puede que no sea un cristal perfecto, "Mo dijo, "pero la belleza de los materiales topológicos es que incluso cuando tienes cristales menos que perfectos, los estados de borde sobreviven. Las imperfecciones no rompen las propiedades clave ".

Avanzando, los investigadores tienen como objetivo desarrollar muestras más grandes del material y descubrir cómo afinar y acentuar selectivamente propiedades específicas. Además de sus propiedades topológicas, sus "materiales hermanos, "que tienen propiedades similares y también fueron estudiadas por el equipo de investigación, se sabe que son sensibles a la luz y tienen propiedades útiles para las células solares y para la optoelectrónica, que controlan la luz para su uso en dispositivos electrónicos.