La investigación dirigida por las universidades de St Andrews y Tokio revela una nueva comprensión sobre cómo crear estados electrónicos topológicos en sólidos que podrían impulsar el desarrollo de materiales mejorados para dispositivos electrónicos rápidos y energéticamente eficientes. Los hallazgos podrían conducir a nuevos tipos de chips de computadora que podrían ser mucho más poderosos que los que se encuentran en las computadoras y teléfonos inteligentes actuales.

La forma en que se comportan los electrones dentro de un sólido está gobernada por su estructura electrónica, una red entrelazada de "bandas" que definen las energías y momentos permitidos de los electrones en el sólido. Si el tipo correcto de bandas se cruza, esto puede dar lugar a interesantes, y potencialmente extremadamente útil, propiedades físicas de los materiales. Por ejemplo, Recientemente se descubrió que los puntos de contacto aislados de estas bandas pueden estabilizarse mediante ciertas simetrías cristalinas, creando los llamados fermiones de Dirac en la estructura electrónica a granel. Esto permite que los electrones en la mayor parte del cristal se comporten como si fueran partículas sin masa, efectivamente un análogo a granel del grafeno, material atómicamente delgado. Además de ser un campo de juego emocionante para estudiar conceptos fundamentales de partículas en física, esto puede conducir a una movilidad ultra alta de los portadores de carga, una propiedad que podría usarse para hacer conductores extremadamente buenos.

Si el cruce no está protegido, se puede estabilizar otro estado excitante denominado "aislante topológico". Aquí, la mayor parte del material se comporta de manera similar a un aislante eléctrico normal, pero su superficie admite los llamados 'estados de superficie topológicos':bandas adicionales que forman puntos de cruce protegidos que contienen solo electrones localizados en la superficie del material. Hablando practicamente, estos estados de superficie proporcionan una capa conductora alrededor del material a granel, que puede permanecer intacto incluso cuando el material tiene defectos o daños. Por tanto, un aislante electrónico se puede transformar en un buen conductor en su superficie, con aplicaciones potenciales en esquemas propuestos de electrónica que explotan el espín del electrón así como su carga.

Dado el interés fundamental y práctico en tales sistemas, Ha habido un enorme esfuerzo reciente para identificar compuestos donde se pueden encontrar este tipo de estados. Desarrollar un conjunto de principios rectores para lograrlo, un equipo internacional de científicos del Reino Unido, Asia y Europa han combinado modelos teóricos detallados con estudios experimentales de vanguardia. Sus hallazgos, publicado en la revista Materiales de la naturaleza (27 de noviembre), demuestran un mecanismo muy general para generar múltiples conjuntos de estados de superficie topológicos y fermiones de Dirac tridimensionales, todos dentro del mismo material. Los investigadores encontraron evidencia de esto en seis compuestos separados de la familia de dicalcogenuros de metales de transición en capas, un sistema de materiales que ha sido muy estudiado debido a la amplia gama de fases físicas novedosas que albergan, de semiconductores no convencionales a superconductores, y su potencial para actuar como análogos del grafeno de próxima generación.

Saeed Bahramy, de la Universidad de Tokio y el Centro RIKEN en Japón, quien dirigió el trabajo teórico, comentó:"Los dicalcogenuros de metales de transición son mejor conocidos por su electrónica única, propiedades espintrónicas y valleytrónicas. Saber que pueden albergar inherentemente fases topológicas tan novedosas brinda nuevas posibilidades para la realización de dispositivos electrónicos de próxima generación con funcionalidades avanzadas ".

La clave de los hallazgos de los investigadores es una disparidad en la forma en que los electrones pueden moverse a lo largo de diferentes direcciones del cristal. junto con una simetría rotacional simple que puede proteger algunos cruces de banda. El estudio mostró cómo esto conduce naturalmente a la formación de conjuntos apilados de estados de superficie topológicos y fermiones de Dirac 3-D en los dicalcogenuros de metales de transición. Los hallazgos no deben limitarse a este sistema de materiales. Se pueden encontrar condiciones iniciales similares en muchos materiales diferentes, planteando la interesante perspectiva de que las características descubiertas aquí son de hecho significativamente más comunes en la naturaleza de lo que normalmente se supone.

Oliver Clark, de la Escuela de Física y Astronomía de la Universidad de St Andrews, quien dirigió el trabajo experimental, agrega:"La cantidad de ingredientes que necesita para que estas características surjan en un material dado es muy pequeña, y cada uno de ellos muy común. Por lo tanto, esto amplía drásticamente la gama de materiales posibles en los que puede esperar encontrar estas firmas topológicas ".

El artículo Formación ubicua de conos de Dirac a granel y estados de superficie topológicos a partir de una única variedad orbital en dicalcogenuros de metales de transición por M S Bahramy, O J Clark et al se publica en la revista Materiales de la naturaleza .