Aisladores topológicos, una clase de materiales que se ha investigado durante poco más de una década, han sido anunciados como un nuevo "material maravilloso", al igual que el grafeno. Pero hasta ahora, Los aislantes topológicos no han cumplido con las expectativas impulsadas por los estudios teóricos. Los físicos de la Universidad de Groningen ahora tienen una idea de por qué. Su análisis fue publicado el 27 de julio en la revista Revisión física B .

Los aislantes topológicos son materiales que son aislantes a granel pero permiten que la carga fluya a través de la superficie. Estos estados conductores en la superficie se originan a partir de patrones de ordenamiento en los estados donde residen los electrones que son diferentes de los materiales ordinarios. Este ordenamiento está vinculado al concepto físico de "topología", análogo al utilizado en matemáticas. Esta propiedad da lugar a estados muy robustos con algunas propiedades especiales.

Átomos pesados

Para uno, su espín, una propiedad magnética de los electrones que puede tener los valores "arriba" o "abajo", está bloqueado a su movimiento. "Esto significa que los electrones que se mueven hacia la derecha tienen un giro hacia abajo, y los que se mueven hacia la izquierda han girado ", explica el primer autor del estudio Eric de Vries, Estudiante de doctorado en el grupo de investigación "Spintronics of Functional Materials 'dirigido por su supervisora, la Dra. Tamalika Banerjee. Este grupo es parte del Instituto Zernike de Materiales Avanzados". Pero también significa que cuando inyectas electrones con spin up en tal aislante topológico, ¡viajarán hacia la izquierda! ”Por tanto, los aislantes topológicos podrían ser muy útiles en la realización de la espintrónica:electrónica basada en el valor de espín cuantificado en lugar de la carga de electrones.

Las propiedades especiales de los aislantes topológicos se predicen mediante el análisis teórico de las estructuras superficiales de estos materiales, hecho de cristales de átomos pesados. Pero los experimentos muestran resultados mixtos, que no están a la altura de las predicciones teóricas. "Nos preguntamos por qué, así que ideamos experimentos para investigar el comportamiento de los electrones en estado de superficie. Específicamente, queríamos ver si el transporte se limita realmente a la superficie, o si también está presente en la mayor parte del material ".

Sorprendente

Experimentos anteriores del grupo, en el que utilizaron ferroimanes para detectar los espines de los electrones generados en el aislante topológico, fueron sorprendentes, dice De Vries. "Demostramos que un voltaje que presumiblemente se origina en la detección de espín puede originarse en factores distintos al bloqueo del espín del electrón en su movimiento. Usando diferentes geometrías, demostramos que los artefactos relacionados con los campos magnéticos extraviados generados por los ferromagnetos pueden imitar voltajes de espín similares ". Esta observación puede conducir a una reevaluación de algunos resultados publicados.

Esta vez, utilizaron un enfoque diferente. "Analizamos los aislantes topológicos utilizando fuertes campos magnéticos. Esto hace que los electrones oscilen en los canales de transporte". De Vries fue al laboratorio nacional de imanes de alto campo en la Universidad Radboud de Nijmegen, donde haya un imán de 33 Tesla disponible, uno de los imanes más fuertes del mundo. "Otros han realizado pruebas similares con imanes más débiles, pero estos no son lo suficientemente sensibles como para revelar los canales de transporte adicionales que coexisten con los estados de la superficie ". Los experimentos de De Vries mostraron que una parte considerable del transporte de carga ocurrió en la fase de volumen del material, y no solo en la superficie.

Canales de transporte

La razón de esto explica De Vries, es la estructura cristalina imperfecta del aislante topológico. "A veces faltan átomos en la estructura cristalina. Esto da como resultado electrones que se mueven libremente. Estos comienzan a conducirse como nuevos canales de transporte, generando corriente eléctrica en la mayor parte del material ".

Entonces, ¿por qué nadie ha notado esto antes? De Vries subraya que la interpretación de las mediciones de transporte realizadas en aisladores topológicos puede resultar difícil. "Experimentamos esto en nuestros experimentos anteriores. Nuestro mensaje es que se necesita un cuidado extremo en la interpretación de las observaciones experimentales para dispositivos basados ​​en estos materiales". También, los experimentos que podrían conducir a conclusiones más claras requieren campos magnéticos muy altos en laboratorios especializados.

Fallas

Los resultados apuntan a una forma de mejorar los aislantes topológicos. "La clave es hacer crecer los cristales sin que falten átomos. Otra solución es llenar los agujeros, por ejemplo, con iones de calcio que se unen a los electrones libres. Pero eso podría causar otras perturbaciones en la movilidad de los electrones ". Durante diez años, los aislantes topológicos estaban de moda. Fueron comparados con el material maravilloso grafeno. El descubrimiento de que en la práctica, Los aisladores topológicos tienen fallas y sirven como un control de la realidad. De Vries:"Necesitamos estudiar y comprender la interacción entre los estados de la superficie y el material a granel con mucho más detalle".