Es ultradelgado eléctricamente conductivo en el borde y altamente aislante en el interior, y todo eso a temperatura ambiente:físicos de la Universidad de Würzburg han desarrollado un nuevo material prometedor.

La clase de material de los aislantes topológicos es actualmente el foco de la investigación internacional de sólidos. Estos materiales son eléctricamente aislantes en el interior, porque los electrones mantienen fuertes enlaces a los átomos. En sus superficies, sin embargo, son conductores debido a los efectos cuánticos.

Adicionalmente, La orientación del espín del electrón es capaz de transmitir información de manera muy eficiente. Está protegido contra la dispersión cuando se mueve a través de estos canales superficiales. Con estas propiedades, Los aislantes topológicos podrían hacer realidad un viejo sueño:procesamiento de datos directo basado en espines, o la llamada espintrónica.

Los conceptos anteriores solo funcionan en el refrigerador.

Hasta ahora, sin embargo, Ha habido un obstáculo importante para el uso de tales canales de superficie para aplicaciones técnicas:"A medida que aumenta la temperatura de un aislante topológico, todos los efectos cuánticos se eliminan y con ellos, las propiedades especiales de los bordes eléctricamente conductores, "Explica el Dr. Jörg Schäfer; es profesor particular en la Cátedra de Física Experimental 4 de la Universidad de Würzburg.

Por esta razón, Todos los aislantes topológicos conocidos deben enfriarse a temperaturas muy bajas, generalmente hasta menos 270 grados Celsius, para poder estudiar las propiedades cuánticas de los canales del borde. "Por supuesto, tales condiciones no son muy viables para aplicaciones potenciales como la electrónica ultrarrápida o las computadoras cuánticas, "dice el físico.

Un equipo de físicos de Würzburg ha presentado ahora un concepto completamente nuevo para evitar este problema con elegancia. Los científicos han publicado sus resultados en la edición actual de Ciencias .

Diseño de material dirigido

El avance de Würzburg se basa en una combinación especial de materiales:una película ultrafina que consta de una sola capa de átomos de bismuto depositados sobre un sustrato de carburo de silicio.

¿Qué hace que esta combinación sea tan especial? "La estructura cristalina del sustrato de carburo de silicio hace que los átomos de bismuto se coloquen en una geometría de panal al depositar la película de bismuto, muy similar a la estructura del 'material milagroso' grafeno, que está formado por átomos de carbono ", El profesor Ralph Claessen explica. Debido a esta analogía, la película delgada como una ondulación se llama "bismuthene".

Pero tiene una diferencia decisiva en comparación con el grafeno:"El bismuteno forma un enlace químico con el sustrato, "El profesor Ronny Thomale dice. Desempeña un papel central en el nuevo concepto para proporcionar al material las propiedades electrónicas deseadas. Esto se destaca por el modelado basado en computadora:" Mientras que el bismuto común es un metal eléctricamente conductor, la monocapa de panal sigue siendo un aislante distinto, incluso a temperatura ambiente y muy por encima, ", añade el físico. Para crear artificialmente esta condición inicial tan deseada, los átomos pesados ​​de bismuto se combinan ingeniosamente con el sustrato de carburo de silicio igualmente aislante.

Autopista de electrones en el borde

Los canales de conducción electrónica entran en juego en el borde de un trozo de bismuteno. Aquí es donde se encuentran los canales del borde metálico, que se utilizarán para el procesamiento de datos del futuro. Esto no solo ha sido concluido teóricamente por el equipo de investigación de Würzburg, también se ha demostrado en experimentos que utilizan técnicas microscópicas.

Para aprovechar los canales de borde para componentes electrónicos, es fundamental que no haya cortocircuitos en el interior del material topológico ni en el sustrato. "Los aisladores topológicos anteriores requerían un enfriamiento extremo para asegurar esto, "Jörg Schäfer explica. El nuevo concepto de bismuthene hace que este esfuerzo sea redundante:el comportamiento aislante distintivo de la película y el sustrato elimina cualquier cortocircuito perturbador.

Los científicos de Würzburg creen que este paso de hacer que el material funcione a temperatura ambiente, lo que hará que el descubrimiento sea interesante para posibles aplicaciones en condiciones realistas. "Dichos canales de conducción están protegidos topológicamente. Esto significa que pueden usarse para transmitir información virtualmente sin pérdida, ", Dice Ralph Claessen. Este enfoque hace que la transmisión de datos con pocos espines de electrones sea concebible. Por lo tanto, el equipo de Würzburg espera grandes avances para una tecnología de la información eficiente.