Los físicos de BESSY II han investigado una clase de materiales que exhiben características de aislantes topológicos. Durante estos estudios, descubrieron una transición entre dos fases topológicas diferentes, uno de los cuales es ferroeléctrico, es decir, una fase en el material que exhibe polarización eléctrica espontánea y puede ser invertida por un campo eléctrico externo. Esto también podría dar lugar a nuevas aplicaciones, como el cambio entre diferentes conductividades.

Los investigadores de HZB estudiaron películas semiconductoras cristalinas hechas de plomo, aleación de estaño y selenio (PbSnSe) que fueron dopadas con pequeñas cantidades del elemento bismuto. Estos semiconductores pertenecen a una nueva clase de materiales llamados aislantes topológicos, materiales que se comportan muy bien en sus superficies mientras se comportan como aislantes internamente. El dopaje con 1 a 2 por ciento de bismuto les permitió observar una nueva transición de fase topológica. La muestra cambia a una fase topológica particular que también exhibe ferroelectricidad. Esto significa que un campo eléctrico externo distorsiona la red cristalina, mientras que a la inversa, Las fuerzas mecánicas en la red pueden crear campos eléctricos.

El efecto se puede utilizar para desarrollar nuevas funciones, que también es de interés para aplicaciones potenciales. Los materiales ferroeléctricos de cambio de fase se emplean en DVD y memorias flash, por ejemplo. Un voltaje eléctrico desplaza átomos en el cristal, transformando el material aislante en uno metálico.

El dopaje con bismuto en las películas de PbSnSe investigadas en HZB sirvió como una perturbación. El número de electrones en el bismuto no encaja bien en la disposición periódica de átomos dentro del cristal de PbSnSe. "Pequeños cambios en la estructura atómica dan lugar a efectos fascinantes en esta clase de materiales, "dice el Dr. Jaime Sánchez-Barriga, investigador del HZB, investigador principal que coordina el proyecto.

Tras análisis detallados de las mediciones, los investigadores concluyeron que el dopaje con bismuto provoca una distorsión ferroeléctrica en la red que también cambia los niveles de energía permitidos de los electrones. "Este problema nos mantuvo desconcertados durante varios tiempos de haz hasta que reproducimos los resultados científicos en un conjunto completamente nuevo de muestras, ", dice Sánchez-Barriga." Las aplicaciones potenciales podrían surgir a través de fases ferroeléctricas, en las que no se había pensado antes. La conducción sin pérdidas de electricidad en materiales topológicos puede activarse y desactivarse a voluntad mediante pulsos eléctricos o tensión mecánica. "dice el profesor Oliver Rader, dirige el departamento de Materiales para Espintrónica Verde en HZB.