La búsqueda de mejores materiales para computadoras y otros dispositivos electrónicos se ha centrado en un grupo de materiales conocidos como "aislantes topológicos" que tienen la propiedad especial de conducir la electricidad en el borde de sus superficies como los carriles de tráfico en una carretera. Esto puede aumentar la eficiencia energética y reducir la producción de calor.

El primer aislante topológico demostrado experimentalmente en 2009 fue bismuto-antimonio, pero solo recientemente los investigadores identificaron el bismuto puro como un nuevo tipo de aislante topológico. Un grupo de investigadores en Europa y los EE. UU. Proporcionó evidencia experimental y análisis teórico en un 2018 Física de la naturaleza reporte.

Ahora, investigadores del MIT junto con colegas en Boston, Singapur, y Taiwán han realizado un análisis teórico para revelar varias propiedades topológicas del bismuto no identificadas previamente. El equipo fue dirigido por autores senior, profesor asociado del MIT, Liang Fu, Profesor del MIT Nuh Gedik, Arun Bansil, profesor distinguido de la Northeastern University, y el investigador Hsin Lin en Academica Sinica en Taiwán.

"Es una especie de topología oculta en la que la gente no sabía que podía ser así, "dice el postdoctorado del MIT Su-Yang Xu, coautor del artículo publicado recientemente en PNAS .

La topología es una herramienta matemática que los físicos utilizan para estudiar las propiedades electrónicas mediante el análisis de las funciones de onda cuántica de los electrones. Las propiedades "topológicas" dan lugar a un alto grado de estabilidad en el material y hacen que su estructura electrónica sea muy robusta frente a pequeñas imperfecciones en el cristal. como impurezas, o pequeñas distorsiones de su forma, como estirar o apretar.

"Digamos que tengo un cristal que tiene imperfecciones. Esas imperfecciones, siempre que no sean tan dramáticos, entonces mi propiedad eléctrica no cambiará, "Xu explica." Si existe tal topología y si las propiedades electrónicas están vinculadas de forma única a la topología en lugar de a la forma, entonces será muy robusto ".

"En este compuesto en particular, a menos que de alguna manera aplique presión o algo para distorsionar la estructura del cristal, de lo contrario esta conducción siempre estará protegida, "Dice Xu.

Dado que los electrones que llevan un cierto espín solo pueden moverse en una dirección en estos materiales topológicos, no pueden rebotar hacia atrás ni dispersarse, que es el comportamiento que hace que los dispositivos electrónicos basados ​​en silicio y cobre se calienten.

Mientras que los científicos de materiales buscan identificar materiales con conducción eléctrica rápida y baja emisión de calor para computadoras avanzadas, Los físicos quieren clasificar los tipos de propiedades topológicas y de otro tipo que subyacen a estos materiales de mejor rendimiento.

En el nuevo periódico, "Topología en una nueva faceta del bismuto, "los autores calcularon que el bismuto debería mostrar un estado conocido como" estado de superficie de Dirac, "que se considera un sello distintivo de estos aislantes topológicos. Encontraron que el cristal no cambia por una rotación de semicírculo (180 grados). Esto se llama una simetría rotacional doble. Esta simetría rotacional doble protege los estados de la superficie de Dirac. Si esto la simetría de rotación doble del cristal se interrumpe, estos estados superficiales pierden su protección topológica.

El bismuto también presenta un estado topológico a lo largo de ciertos bordes del cristal donde se encuentran dos caras verticales y horizontales. llamado estado de "bisagra". Para realizar plenamente los efectos topológicos deseados en este material, el estado de bisagra y otros estados de la superficie deben estar acoplados a otro fenómeno electrónico conocido como "inversión de banda" que, según los cálculos de los teóricos, también está presente en el bismuto. Ellos predicen que estos estados de la superficie topológica podrían confirmarse mediante el uso de una técnica experimental conocida como espectroscopia de fotoemisión.

Si los electrones que fluyen a través del cobre son como un banco de peces que nadan en un lago en verano, los electrones que fluyen a través de una superficie topológica se parecen más a los patinadores sobre hielo que cruzan la superficie helada del lago en invierno. Para el bismuto, sin embargo, en el estado de bisagra, su movimiento sería más parecido a patinar en el borde de la esquina de un cubo de hielo.

Los investigadores también encontraron que en el estado de bisagra, a medida que los electrones avanzan, su impulso y otra propiedad, llamado espín, que define una rotación de los electrones en sentido horario o antihorario, está "bloqueado". "Su dirección de giro está bloqueada con respecto a su dirección de movimiento, "Xu explica.

Estos estados topológicos adicionales podrían ayudar a explicar por qué el bismuto permite que los electrones viajen a través de él mucho más lejos que la mayoría de los otros materiales. y por qué conduce la electricidad de manera eficiente con muchos menos electrones que materiales como el cobre.

"Si realmente queremos que estas cosas sean útiles y mejorar significativamente el rendimiento de nuestros transistores, necesitamos encontrar buenos materiales topológicos, buenos en términos de que son fáciles de hacer, no son tóxicos, y también son relativamente abundantes en la tierra, "Sugiere Xu. Bismuto, que es un elemento seguro para el consumo humano en forma de remedios para tratar la acidez estomacal, por ejemplo, cumple con todos estos requisitos.

"Este trabajo es la culminación de una década y media de avance en nuestra comprensión de los materiales topológicos protegidos por simetría, "dice David Hsieh, profesor de física en Caltech, que no participó en esta investigación.

"Creo que estos resultados teóricos son sólidos, y es simplemente una cuestión de obtener imágenes de ellos experimentalmente utilizando técnicas como la espectroscopia de fotoemisión resuelta en ángulo, en el que el profesor Gedik es experto, "Añade Hsieh.

El profesor de la Northeastern University, Gregory Fiete, señala que "los compuestos a base de bismuto han desempeñado durante mucho tiempo un papel protagonista en los materiales topológicos, aunque originalmente se creía que el bismuto mismo era topológicamente trivial ".

"Ahora, Este equipo ha descubierto que el bismuto puro es topológico múltiple, con un par de conos de Dirac de superficie sueltos a cualquier valor de momento particular, "dice Fiete, que tampoco participó en esta investigación. "La posibilidad de mover los conos de Dirac a través del control de parámetros externos puede abrir el camino a aplicaciones que aprovechen esta característica".

Hsieh de Caltech señala que los nuevos hallazgos se suman a la cantidad de formas en que los estados metálicos protegidos topológicamente se pueden estabilizar en los materiales. "Si el bismuto se puede convertir de semimetal en aislante, entonces se puede realizar el aislamiento de estos estados superficiales en el transporte eléctrico, que puede ser útil para aplicaciones de electrónica de baja potencia, "Explica Hsieh.

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.