En 2005, Los físicos de materia condensada Charles Kane y Eugene Mele consideraron el destino del grafeno a bajas temperaturas. Su trabajo condujo al descubrimiento de un nuevo estado de la materia denominado "aislante topológico, "que marcaría el comienzo de una nueva era de la ciencia de los materiales.

"Un aislante topológico es un material que es un aislante en su interior pero es altamente conductor en su superficie, ", dijo Andrea Young, profesora asistente de física de UC Santa Bárbara. En dos dimensiones, un aislante topológico ideal tendría conductancia "balística" en sus bordes, Young explicó, lo que significa que los electrones que viajan a través de la región encontrarán resistencia cero.

Irónicamente, mientras que el trabajo de Kane y Mele conduciría al descubrimiento del comportamiento aislante topológico en una amplia variedad de materiales, su predicción original, de un aislante topológico en el grafeno, no se ha realizado.

En el centro del problema se encuentra el acoplamiento espín-órbita, un efecto débil en el que el espín del electrón interactúa con su movimiento orbital alrededor del núcleo. Crítico para todos los aislantes topológicos, el acoplamiento espín-órbita es excepcionalmente débil en grafeno, de modo que cualquier comportamiento aislante topológico queda ahogado por otros efectos que surgen de la superficie sobre la que se apoya el grafeno.

"El débil acoplamiento espín-órbita en el grafeno es una gran lástima, "dijo el investigador postdoctoral Joshua Island, porque en la práctica las cosas no han funcionado tan bien para los aislantes topológicos en dos dimensiones. "Los aisladores topológicos bidimensionales conocidos hasta la fecha están desordenados y no es muy fácil trabajar con ellos, Island dijo. La conductancia en los bordes tiende a disminuir rápidamente con la distancia que viajan los electrones, sugiriendo que está lejos de ser balístico. Realizando un aislante topológico en grafeno, un material bidimensional por lo demás altamente perfecto, podría proporcionar una base para circuitos eléctricos balísticos de baja disipación o formar el sustrato material para bits cuánticos protegidos topológicamente.

Ahora, en trabajo publicado en la revista Naturaleza , Isla, Young y sus colaboradores han encontrado una forma de convertir el grafeno en un aislante topológico (TI). "El objetivo del proyecto era aumentar o mejorar el acoplamiento espín-órbita en el grafeno, "Island, autor principal, dijo:agregando que se han realizado intentos a lo largo de los años con un éxito limitado. "Una forma de hacer esto es colocar un material que tenga un acoplamiento de órbita-giro muy grande cerca del grafeno. La esperanza era que al hacerlo, los electrones de grafeno adquirieran esta propiedad del material subyacente, " él explicó.

¿El material elegido? Después de estudiar varias posibilidades, los investigadores se decidieron por un dicalcogenuro de metal de transición (TMD), que consiste en el tungsteno de metal de transición y el selenio calcógeno. Similar al grafeno, El diselenuro de tungsteno viene en monocapas bidimensionales, unidos por las fuerzas de van der Waals, que son interacciones relativamente débiles y dependientes de la distancia entre átomos o moléculas. A diferencia del grafeno, sin embargo, los átomos más pesados ​​del TMD conducen a un acoplamiento espín-órbita más fuerte. La conductancia de electrones balísticos del grafeno del dispositivo resultante está imbuida del fuerte acoplamiento espín-órbita de la capa cercana de TMD.

"Vimos una mejora muy clara de ese acoplamiento espín-órbita, "Dijo Island.

"Al agregar un acoplamiento de giro-órbita del tipo correcto, Joshua pudo descubrir que esto de hecho conduce a una nueva fase que es casi topológicamente aislante, "Dijo Young. En la idea original, él explicó, el aislante topológico consistía en una monocapa de grafeno con un fuerte acoplamiento espín-órbita.

"Tuvimos que usar un truco que solo está disponible en las multicapas de grafeno para crear el tipo correcto de acoplamiento de órbita-giro, "Young explicó sobre su experimento, que utilizó una bicapa de grafeno. "Y así se obtiene algo que se aproxima a dos aislantes topológicos apilados uno encima del otro". Funcionalmente sin embargo, El dispositivo de Island funciona tan bien como otros aislantes topológicos 2-D conocidos:los estados de borde más importantes se propagan por al menos varias micras, mucho más que en otros materiales TI conocidos.

Es más, según Young, este trabajo está un paso más cerca de construir un aislante topológico real con grafeno. "El trabajo teórico ha demostrado desde entonces que una tricapa de grafeno, fabricado de la misma manera, conduciría a un verdadero aislante topológico ".

Más importante, los dispositivos realizados por Island and Young se pueden sintonizar fácilmente entre una fase de aislamiento topológico y un aislante regular, que no tiene estados de borde conductores.

"Puede enrutar estos conductores perfectos donde quiera, " él dijo, "Y eso es algo que nadie ha podido hacer con otros materiales".