La mitad de todos los transistores de su iPhone usan 'agujeros' cargados positivamente, en lugar de electrones cargados negativamente para operar.

En la Universidad, enseñamos a los estudiantes que los agujeros son cuasipartículas, básicamente 'electrones faltantes' - un poco como la burbuja en un nivel de burbuja, o la silla perdida en un juego de sillas musicales.

Pero esa no es toda la historia:los agujeros también tienen propiedades de "espín" muy diferentes a las de los electrones. (El giro de una partícula es su momento angular intrínseco).

Estas propiedades de giro únicas de los orificios los hacen muy atractivos para transistores de giro de potencia ultrabaja, bits cuánticos de alta velocidad, y bits cuánticos topológicos tolerantes a fallos.

El problema es que hasta hace poco no teníamos una buena comprensión de las propiedades de giro de los agujeros en los transistores a nanoescala. De hecho, las mejores teorías predijeron el comportamiento opuesto al observado en los experimentos.

Ahora, un equipo de físicos dirigido por Alex Hamilton y Oleg Sushkov de la UNSW ha resuelto el misterio identificando un nuevo término en las ecuaciones que anteriormente se había pasado por alto.

Esto reconcilia experimentos y teoría, y allana el camino para futuros dispositivos de computación cuántica y electrónica cuántica.

La clave del problema es que un agujero se comporta de manera muy diferente cuando se limita a solo dos dimensiones, en comparación con su comportamiento en una situación normal, sólido tridimensional.

Un transistor se fabrica con dos materiales semiconductores de propiedades electrónicas ligeramente diferentes, presionados juntos. En la interfaz de esos dos materiales, existe una zona efectivamente bidimensional, en el que se puede controlar una delgada hoja de electrones o huecos para realizar las funciones lógicas necesarias.

Pero si bien el comportamiento de los agujeros en tres dimensiones se ha comprendido bien durante muchas décadas, su confinamiento a dos dimensiones introduce nuevos factores que causan respuestas impredecibles a un campo magnético aplicado. A saber, este confinamiento introduce una nueva 'interacción espín-órbita'.

Interacción espín-órbita (SOI), es el acoplamiento del movimiento del agujero a través del espacio (por ejemplo, en órbita alrededor de un átomo o a lo largo de una trayectoria de transporte de corriente) y su giro. Esta interacción espín-órbita cambia la forma en que los agujeros responden a un campo magnético y es clave para la función de los materiales topológicos. que se estudian en FLEET por su potencial para formar vías de resistencia ultrabaja para la corriente eléctrica.

El nuevo estudio es la primera vez que estos nuevos efectos de órbita giratoria para agujeros confinados a una dimensión se han clasificado correctamente.

En 2006, Los experimentos de UNSW encontraron un resultado que no coincidía con la teoría existente:

Los experimentadores estaban observando los efectos de un campo magnético externo aplicado a un camino portador de carga conocido como cable cuántico.

El campo magnético aplicado se separa, o se divide, los niveles de energía de los hoyos con diferentes giros. Los experimentos mostraron que la división de espín era extremadamente sensible a la dirección del campo magnético, a diferencia de los electrones que son insensibles a la dirección del campo.

Es más, Se descubrió que la división del espín era mayor cuando se aplicó el campo magnético a lo largo del cable cuántico, un resultado que era completamente contrario a las teorías existentes. Este desacuerdo entre el experimento y la teoría permaneció sin explicación durante la última década.

El estudio más reciente identificó un nuevo factor de interacción espín-órbita causado por el confinamiento de los agujeros a una dimensión, y encontró que este nuevo factor explicaba el resultado experimental de 2006.

El nuevo estudio acaba de aparecer en Cartas de revisión física , la revista insignia de la American Physical Society.

La investigación unió a físicos teóricos y experimentales de la UNSW con colegas en Cambridge y Sheffield en el Reino Unido. y Novosibirsk en Rusia.

El trabajo fue financiado por el Programa de Descubrimiento del Consejo de Investigación de Australia, e incluyó a Alex Hamilton de FLEET, Oleg Sushkov y Dima Miserev.

FLEET es un nuevo, Centro de investigación financiado por ARC que tiene como objetivo abordar el creciente desafío de la energía informática utilizando materiales que tienen solo un átomo de espesor. FLEET (el Centro ARC de Excelencia en Tecnologías Futuras de Electrónica de Bajo Consumo) está utilizando Materiales bidimensionales (2-D) como base de una nueva generación de electrónica de energía ultrabaja. FLEET conecta a investigadores de la Escuela de Física de la UNSW y la Escuela de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la UNSW con colegas de otras seis universidades y otros 13 centros científicos australianos e internacionales.

Alex Hamilton lidera el tema de investigación 1 de FLEET, buscando sistemas topológicos sin disipación para el futuro, Electrónica de energía ultrabaja.

El estudio original en 2006, también dirigido por el profesor Hamilton y también publicado en Cartas de revisión física , encontró que la dirección de un campo magnético aplicado determinaba la división de la conductividad en una corriente de agujeros. El mismo efecto no ocurre en una corriente de electrones.

Este estudio también fue el primero en caracterizar el efecto de un campo magnético en una corriente de agujeros a lo largo de un cable cuántico. Los experimentos mostraron que a medida que los agujeros viajan a lo largo de un camino unidimensional, sus espines giran para alinearse con un campo magnético aplicado en una dirección particular.

Esta respuesta distingue los huecos de los electrones, que no responden de la misma manera a los cambios, no les importa de qué manera se aplica el campo.

Esa propiedad única de los agujeros brinda un potencial emocionante para su uso en la tecnología 'espintrónica'. En espintrónica, el giro magnético de una partícula se utiliza para realizar funciones lógicas, en lugar de solo la carga eléctrica de la partícula, como en la electrónica tradicional.