(PhysOrg.com) - Los científicos de Stanford y SLAC han encontrado una forma potencial de aprovechar las asombrosas propiedades de los aislantes topológicos, materiales que conducen la electricidad solo a lo largo de sus superficies, para su uso en electrónica y otras aplicaciones.

Un artículo publicado en línea esta semana en Nanotecnología de la naturaleza describe cómo combinaron dos aisladores topológicos previamente conocidos para crear uno nuevo que transporta solo corrientes superficiales. Luego elaboraron este material en extremadamente delgado, placas diminutas y demostró que podían controlar las propiedades electrónicas de estas nanoplacas utilizando una puerta, esencialmente, un transistor que se abre y se cierra para cambiar el material de un estado a otro.

"La puerta es muy importante para los dispositivos electrónicos, ”Dijo el coautor Yi Cui, profesor asociado de la facultad de Stanford y SLAC, y controlar las propiedades de estos materiales novedosos "es realmente la base para fabricar futuros dispositivos electrónicos para el procesamiento de la información".

La investigación combinó los esfuerzos de físicos y científicos de materiales en SIMES, el Instituto Stanford de Ciencias de los Materiales y la Energía, que es un instituto conjunto de SLAC National Accelerator Laboratory y la Universidad de Stanford.

Un grupo que trabaja con el profesor asociado de Stanford Ian Fisher preparó cristales del nuevo compuesto, que contiene tres elementos:bismuto, antimonio y telurio. Otro grupo, bajo la dirección del científico jefe de SLAC, Zhi-Xun Shen, probé varias combinaciones de los tres elementos para ver cuál tenía las mejores propiedades electrónicas, utilizando instrumentos en la fuente de luz avanzada en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley.

Buscaron la combinación que permitiera que la corriente más alta fluyera en la superficie del material y que la menor cantidad de corriente fluyera por el interior. que se conoce como material a granel. Este flujo interior interfiere con las cualidades deseables de un aislante topológico.

Finalmente, El grupo de Cui formó el compuesto en nanoplacas de seis lados cuyas propiedades podrían controlarse encendiendo y apagando una corriente eléctrica separada; esa es la parte de la puerta. Girar el interruptor en una dirección hizo que el compuesto se comportara como un material de tipo n, uno en el que la electricidad es conducida por electrones cargados negativamente. Al girar el interruptor hacia el otro lado, el compuesto se convirtió en un material tipo p, en el que "agujeros" cargados positivamente llevaban la corriente. Los chips electrónicos actuales contienen materiales de tipo p y n.

Este estudio es uno de los primeros en demostrar claramente que es posible usar una puerta para alternar toda la pieza de material aislante topológico entre estos dos estados.

"Eso es realmente muy importante para cualquier tipo de material electrónico, "Dijo Desheng Kong, un estudiante de posgrado de cuarto año en el laboratorio de Cui, quien es el primer autor del informe. “No solo quieres entenderlos, sino para controlar sus propiedades ".

El hecho de que las propiedades del material se puedan ajustar aplicando una corriente de puerta también significa que no es necesario comenzar con un material perfecto para lograr un buen rendimiento. agregó el científico del personal de SLAC, Yulin Chen, el segundo autor del informe. "Eso es genial, ”Dijo. "Y por supuesto, a la larga, la gente seguirá mejorando cada vez más los materiales ".

Se necesitan desesperadamente dispositivos nuevos porque la utilidad de la tecnología de semiconductores actual está llegando a su fin, dijo el profesor de SIMES Shoucheng Zhang, que no participó en este estudio.

Dijo que uno de los mayores obstáculos para la continuación de la Ley de Moore, la idea de que la cantidad de transistores que se pueden colocar en un circuito integrado se duplicará cada 18 meses, es que los electrones que se mueven dentro de los chips actuales se disipan demasiado. calor. "De hecho, sientes que cuando pones tu computadora portátil en tu regazo, ”Dijo. "No es solo molesto, pero un chip ya no funciona, a cierta velocidad, ”Cuando hace demasiado calor.

“Este se ha convertido en un problema tan fundamental que mucha gente piensa que la única forma de resolverlo es cambiar la arquitectura fundamental y el principio operativo del chip, "Zhang dijo, "Y eso es un patio de recreo para los físicos".

La ventaja potencial de usar aislantes topológicos para transportar corrientes en chips es que los electrones que viajan a lo largo de la superficie delgada del material lo hacen con gran eficiencia y generan muy poco calor. No es solo la delgadez de la superficie lo que juega un papel; es el hecho de que estos electrones exhiben algo llamado "efecto Hall de espín cuántico, "una de las espeluznantes realizaciones de la mecánica cuántica. A diferencia de los electrones en materiales convencionales, cada electrón en un aislante topológico viaja en una dirección perpendicular a su espín.

El efecto neto es que los electrones fluyen suavemente en la misma dirección sin resistencia, esquivar obstáculos con calma, como contaminantes accidentales o defectos en el material, en lugar de chocar y desviarse en todas direcciones. Como lo explica Zhang, es la diferencia entre un Ferrari que atraviesa un mercado abarrotado y el mismo automóvil que circula por una autopista.

La emoción que rodea a los aislantes topológicos no se limita a su utilidad potencial en dispositivos electrónicos. También podrían dar a los científicos información sobre una amplia variedad de fenómenos exóticos, incluyendo partículas hipotéticas llamadas axiones, que podría ayudar a explicar la materia oscura, y monopolos magnéticos.

Fue Zhang quien, en 2006, ayudó a desencadenar una carrera loca para investigar los aislantes topológicos al predecir que una aleación de mercurio y telurio se comportaría como uno solo. Dentro de un año, un grupo en Alemania fabricó este compuesto y demostró que efectivamente funcionaba, pero solo a temperaturas muy bajas. En 2009, Chen, Shen Fisher y sus colegas demostraron que el telururo de bismuto, un material más abundante y más fácil de manejar - es un aislante topológico a temperatura ambiente, y el campo realmente despegó.

El último resultado es "un paso significativo, "Zhang dijo, en el esfuerzo mundial de muchos grupos de científicos para aprovechar las propiedades de estos nuevos materiales.