Nuevos dispositivos electrónicos energéticamente eficientes pueden ser posibles gracias a la investigación que demuestra el efecto Hall anómalo cuántico (QAH), donde una corriente eléctrica no pierde energía a medida que fluye a lo largo de los bordes del material, en un rango más amplio de condiciones. Un equipo de investigadores de Penn State se ha dado cuenta experimentalmente del efecto QAH en un aislante multicapa, esencialmente produciendo una carretera de varios carriles para el transporte de electrones que podría aumentar la velocidad y eficiencia de la transferencia de información sin pérdida de energía.

"El bajo consumo de energía es clave en los dispositivos electrónicos, por lo que hay mucha investigación sobre materiales que pueden mejorar la eficiencia del flujo de electrones, "dijo Cui-Zu Chang, profesor asistente de física en Penn State que dirigió la investigación. "El aumento de la cantidad de electrones en la mayoría de los metales da como resultado una especie de atasco de tráfico porque los electrones que se mueven en diferentes direcciones se dispersan y se repelen entre sí. Pero en los aisladores QAH, el flujo de electrones está restringido a los bordes, y los electrones en un borde solo pueden ir en una dirección y los del otro borde solo pueden ir en la dirección opuesta, como dividir una carretera en una autopista de dos carriles. En este estudio, fabricamos aisladores QAH que se podían colocar en capas para crear esencialmente carreteras paralelas una encima de la otra ".

Los aislantes QAH se crean en un material llamado aislante topológico, una capa delgada de película con un grosor de solo un par de docenas de átomos, que se han hecho magnéticos para que solo conduzcan corriente a lo largo de los bordes. Para hacer que los aisladores topológicos sean magnéticos, Los investigadores agregan impurezas magnéticas al material en un proceso llamado dopaje magnético diluido. En este estudio, El equipo de investigación de Penn State utilizó una técnica llamada epitaxia de haz molecular para fabricar aislantes topológicos multicapa. controlando cuidadosamente dónde ocurrió el dopaje magnético.

"Los aisladores QAH son de particular interés porque teóricamente no tienen disipación de energía, lo que significa que los electrones no pierden energía en forma de calor cuando la corriente eléctrica fluye a lo largo de los bordes, "dijo Chao-Xing Liu, profesor asociado de física en Penn State y coautor del artículo. "Esta propiedad única hace que los aisladores QAH sean un buen candidato para su uso en computadoras cuánticas y otros pequeños, dispositivos electrónicos rápidos ".

En estudios anteriores, el efecto QAH se había realizado experimentalmente solo en materiales donde una cantidad importante llamada número de Chern tenía un valor de 1, esencialmente con una sola autopista de dos carriles para los electrones. En este estudio, los investigadores apilaron capas alternas de aislantes topológicos magnéticos y no magnéticos y pudieron realizar el estado QAH con números Chern hasta 5, esencialmente construyendo 5 carreteras paralelas para electrones a cada lado del material para un total de 10 carriles. Presentan sus resultados en un artículo que aparece en línea el 16 de diciembre en la revista. Naturaleza .

"Vemos cierta disipación de corriente en los puntos de conexión entre los aisladores QAH y los electrodos metálicos, que se presenta en forma de calor, ", dijo Liu." Puedes pensar en ello como las rampas de entrada y salida de una autopista muy transitada, donde el carril de unión angosto hacia el tráfico local lo frena. Al construir carreteras más paralelas, más carriles de unión pueden conectar las carreteras con el tráfico local, para que la velocidad general de todo el sistema de tráfico se pueda mejorar enormemente ".

Los investigadores encontraron que al aumentar el grosor de las capas aislantes QAH, o manipulando la concentración de dopaje magnético en la capa QAH, podrían sintonizar el número de Chern de la muestra. "En otras palabras, podríamos cambiar el número de carriles en la carretera con una perilla externa, "dijo Chang." Incluso en los números altos de Chern, los aisladores QAH no tenían disipación a lo largo de los canales del borde. Esto proporciona una prueba de concepto para dispositivos que aprovechan esta corriente de borde sin disipación ".

En este estudio, los investigadores fabricaron cuidadosamente aisladores QAH separados con diferentes números de Chern. En el futuro, esperan desarrollar una técnica para ajustar el número de Chern de una muestra ya fabricada, para el control "en tiempo real" del tráfico de electrones en una autopista de la información.

Traducir el avance fundamental realizado en este estudio en una tecnología práctica sigue siendo un desafío, ya que los fenómenos estudiados aquí se limitan a temperaturas muy bajas, alrededor de una centésima de grado Kelvin por encima del cero absoluto. Pero Chang es optimista:"A través de la síntesis de material creativo, podemos imaginar escenarios que podrían ayudarnos a realizar estos efectos en condiciones tecnológicamente relevantes ".