En años recientes, Los aisladores topológicos se han convertido en uno de los temas más candentes de la física. Estos nuevos materiales actúan como aislantes y conductores, con su interior impidiendo el flujo de corrientes eléctricas mientras que sus bordes o superficies permiten el movimiento de una carga.

Quizás lo más importante las superficies de los aislantes topológicos permiten el transporte de electrones de espín polarizado al tiempo que previenen la "dispersión" típicamente asociada con el consumo de energía, en el que los electrones se desvían de su trayectoria, resultando en disipación.

Debido a tales características, estos materiales tienen un gran potencial para su uso en futuros transistores, dispositivos de memoria y sensores magnéticos que son de alta eficiencia energética y requieren menos energía.

En un estudio publicado hoy en Nanotecnología de la naturaleza , Investigadores de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas Henry Samueli de UCLA y de la división de materiales de la Universidad de Queensland de Australia muestran la promesa de los canales de conducción superficial en nanocintas aislantes topológicas hechas de telururo de bismuto y demuestran que los estados de la superficie en estas nanocintas son "sintonizables" - Se puede encender y apagar dependiendo de la posición del nivel Fermi.

"Nuestro hallazgo permite una variedad de oportunidades en la construcción de potenciales nuevas generaciones, dispositivos nanoelectrónicos y espintrónicos de baja disipación, desde la detección magnética hasta el almacenamiento, "dijo Kang L. Wang, el Profesor Raytheon de Ingeniería Eléctrica en UCLA Engineering, cuyo equipo llevó a cabo la investigación.

El telururo de bismuto es bien conocido como material termoeléctrico y también se ha previsto que sea un aislante topológico tridimensional con estados de superficie robustos y únicos. Experimentos recientes con materiales a granel de telururo de bismuto también han sugerido canales de conducción bidimensionales que se originan en los estados de la superficie. Pero ha sido un gran desafío modificar la conducción superficial, debido a la contribución de volumen dominante debido a las impurezas y excitaciones térmicas en estos semiconductores de banda ancha pequeña.

El desarrollo de nanocintas aislantes topológicas ha ayudado. Con sus grandes proporciones de superficie a volumen, estas nanocintas mejoran significativamente las condiciones de la superficie y permiten la manipulación de la superficie por medios externos.

Wang y su equipo utilizaron nanocintas de telururo de bismuto delgadas como canales conductores en estructuras de transistores de efecto de campo. Estos se basan en un campo eléctrico para controlar el nivel de Fermi y, por lo tanto, la conductividad de un canal. Los investigadores pudieron demostrar por primera vez la posibilidad de controlar los estados de la superficie en nanoestructuras de aisladores topológicos.

"Hemos demostrado una conducción superficial clara al eliminar parcialmente la conducción en masa mediante un campo eléctrico externo, "dijo Faxian Xiu, investigador asociado del personal de UCLA y autor principal del estudio. "Al ajustar correctamente el voltaje de la puerta, se logró una conducción superficial muy alta, hasta el 51 por ciento, que representa los valores más altos en aislantes topológicos ".

"Esta investigación es muy interesante debido a la posibilidad de construir nanodispositivos con un principio operativo novedoso, "dijo Wang, quien también es director asociado del California NanoSystems Institute (CNSI) en UCLA. "Muy similar al desarrollo del grafeno, los aisladores topológicos podrían convertirse en transistores de alta velocidad y sensores de ultra alta sensibilidad ".

Los nuevos hallazgos arrojan luz sobre la capacidad de control de los estados de rotación de la superficie en nanocintas de aisladores topológicos y demuestran un progreso significativo hacia condiciones eléctricas de alta superficie para aplicaciones prácticas de dispositivos. El siguiente paso para el equipo de Wang es producir dispositivos de alta velocidad basados ​​en su descubrimiento.

"El escenario ideal es lograr una conducción superficial del 100 por ciento con un estado de aislamiento completo en la masa, ", Dijo Xiu." Basado en el trabajo actual, estamos apuntando a transistores de alto rendimiento con un consumo de energía mucho menor que la tecnología convencional de semiconductores de óxido de metal complementario (CMOS) que se usa típicamente en la electrónica actual ".

Colaboradores del estudio Jin Zou, profesor de ingeniería de materiales en la Universidad de Queensland; Yong Wang, un becario internacional de Queensland; y el equipo de Zou en la división de materiales de la Universidad de Queensland contribuyeron significativamente a este trabajo. Una parte de la investigación también se realizó en el laboratorio de Alexandros Shailos en UCLA.