Los físicos cuánticos de Dresde y Würzburg han logrado un avance significativo. Han creado un dispositivo semiconductor cuya robustez y sensibilidad excepcionales están garantizadas por un fenómeno cuántico. Este efecto de piel topológico protege la funcionalidad del dispositivo de perturbaciones externas, lo que permite realizar mediciones con una precisión sin precedentes.
Este notable avance es el resultado de la inteligente disposición de los contactos del material de aluminio, galio y arseniuro. Libera el potencial de los módulos cuánticos de alta precisión en física topológica, colocando estos materiales en el foco de atención de la industria de los semiconductores. Estos resultados, publicados en Nature Physics , marca un hito importante.
Los dispositivos semiconductores son pequeños componentes de conmutación que controlan el flujo de electrones en los dispositivos electrónicos modernos. Alimentan elementos ubicuos de alta tecnología, como teléfonos móviles, ordenadores portátiles y sensores de automóviles, así como equipos médicos de última generación. Sin embargo, las impurezas del material o los cambios de temperatura pueden interrumpir el flujo de electrones y provocar inestabilidad.
Pero ahora, físicos teóricos y experimentales del grupo de excelencia ct.qmat (Complejidad y topología en materia cuántica) de Würzburg-Dresden han desarrollado un dispositivo semiconductor a partir de arseniuro de aluminio y galio (AlGaAs). El flujo de electrones de este dispositivo, normalmente susceptible a interferencias, está protegido por un fenómeno cuántico topológico.
"Gracias al efecto piel topológico, todas las corrientes entre los diferentes contactos del semiconductor cuántico no se ven afectadas por impurezas u otras perturbaciones externas. Esto hace que los dispositivos topológicos sean cada vez más atractivos para la industria de los semiconductores. Eliminan la necesidad de niveles extremadamente altos de pureza del material que actualmente eleva los costes de la fabricación de productos electrónicos", explica el profesor Jeroen van den Brink, director del Instituto de Física Teórica del Estado Sólido del Instituto Leibniz de Investigación de Materiales y Estado Sólido de Dresde (IFW) e investigador principal del ct .qmat.
Los materiales cuánticos topológicos, conocidos por su excepcional robustez, son ideales para aplicaciones que consumen mucha energía. "Nuestro semiconductor cuántico es estable y, al mismo tiempo, muy preciso:una combinación poco común. Esto posiciona a nuestro dispositivo topológico como una nueva e interesante opción en la ingeniería de sensores".
La utilización del efecto piel topológico permite nuevos tipos de dispositivos cuánticos electrónicos de alto rendimiento que también podrían ser increíblemente pequeños. "Nuestro dispositivo cuántico topológico mide aproximadamente 0,1 milímetros de diámetro y se puede reducir aún más con facilidad", afirma van den Brink.
El aspecto pionero del logro del equipo de físicos de Dresde y Würzburg es que fueron los primeros en realizar el efecto topológico de la piel a escala microscópica en un material semiconductor. Este fenómeno cuántico se demostró inicialmente a nivel macroscópico hace tres años, pero sólo en un metamaterial artificial, no en uno natural. Por lo tanto, esta es la primera vez que se desarrolla un pequeño dispositivo cuántico topológico basado en semiconductores que es a la vez altamente robusto y ultrasensible.
"En nuestro dispositivo cuántico, la relación corriente-tensión está protegida por el efecto superficial topológico, ya que los electrones están confinados en el borde. Incluso en caso de impurezas en el material semiconductor, el flujo de corriente permanece estable", explica van den Brink.
"Además, los contactos pueden detectar incluso las más mínimas fluctuaciones de corriente o voltaje. Esto hace que el dispositivo cuántico topológico sea excepcionalmente adecuado para fabricar sensores y amplificadores de alta precisión con diámetros minúsculos."
El éxito se logró mediante la disposición creativa de materiales y contactos en un dispositivo semiconductor de AlGaAs, induciendo el efecto topológico en condiciones ultrafrías y un fuerte campo magnético. "Realmente logramos que el dispositivo lograra el efecto topológico de la piel", explica van den Brink.
El equipo de física empleó una estructura semiconductora bidimensional. Los contactos se dispusieron de tal manera que se pudiera medir la resistencia eléctrica en los bordes de los contactos, lo que revela directamente el efecto topológico.
Desde 2019, ct.qmat ha estado investigando materiales cuánticos topológicos en Würzburg y Dresde, explorando su extraordinario comportamiento en condiciones extremas como temperaturas ultrabajas, altas presiones o fuertes campos magnéticos.
El reciente avance es también el resultado de la colaboración sostenida entre científicos de las dos ubicaciones del grupo. El nuevo dispositivo cuántico, concebido en la IFW, fue un esfuerzo conjunto en el que participaron físicos teóricos de la Universidad de Würzburg e investigadores teóricos y experimentales de Dresde. Después de ser producido en Francia, el dispositivo fue probado en Dresde. Jeroen van den Brink y sus colegas ahora se dedican a explorar más a fondo este fenómeno, con el objetivo de aprovecharlo para futuras innovaciones tecnológicas.
Más información: Kyrylo Ochkan et al, Topología no hermitiana en un dispositivo Hall cuántico multiterminal, Física de la naturaleza (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02337-4
Información de la revista: Física de la Naturaleza
Proporcionado por Würzburg-Dresdner Exzellenzcluster ct.qmat
