Usando sofisticadas herramientas teóricas, Los investigadores de A * STAR han identificado una forma de construir aislantes topológicos, una nueva clase de materiales activos por espín, a partir de complejos planos de base orgánica en lugar de cristales inorgánicos tóxicos.

La estructura cristalina única de los aislantes topológicos los hace aislantes en todas partes, excepto alrededor de sus bordes. Debido a que la conductividad de estos materiales se localiza en estados de superficie cuantificados, el paso de la corriente por aisladores topológicos adquiere unas características especiales. Por ejemplo, puede polarizar los espines de los electrones en una sola orientación, un fenómeno que los investigadores están explotando para producir 'acoplamientos espín-órbita' que generan campos magnéticos para la espintrónica sin la necesidad de imanes externos.

Muchos aislantes topológicos se fabrican exfoliando repetidamente minerales inorgánicos, tales como telururos de bismuto o seleniuros de bismuto, con cinta adhesiva hasta que quede plano, Aparecen hojas bidimensionales (2D). "Esto proporciona propiedades superiores en comparación con los cristales a granel, pero la exfoliación mecánica tiene poca reproducibilidad, "explica Shuo-Wang Yang del Instituto A * STAR de Computación de Alto Rendimiento." Propusimos investigar aisladores topológicos basados ​​en complejos de coordinación orgánicos, porque estas estructuras son más adecuadas para la síntesis química húmeda tradicional que los materiales inorgánicos ".

Los complejos de coordinación son compuestos en los que moléculas orgánicas conocidas como ligandos se unen simétricamente alrededor de un átomo metálico central. Yang y su equipo identificaron nuevos complejos de ligandos orgánicos "persistentes en la forma" como buenos candidatos para su método. Estos compuestos presentan ligandos hechos de pequeños, anillos aromáticos rígidos. Al usar metales de transición para unir estos bloques de construcción orgánicos en anillos más grandes conocidos como 'macrociclos', los investigadores pueden construir celosías 2D extendidas que presentan una alta movilidad de portadores de carga.

Identificar celosías orgánicas 2D con propiedades aislantes topológicas deseables es difícil cuando se confía solo en experimentos. Para refinar esta búsqueda, Yang y sus colegas utilizaron una combinación de cálculos cuánticos y simulaciones de estructura de bandas para analizar la actividad electrónica de varios complejos orgánicos de forma persistente. El equipo buscó dos factores clave en sus simulaciones:ligandos que pueden deslocalizar electrones en un plano 2D similar al grafeno y un fuerte acoplamiento espín-órbita entre nodos centrales de metales de transición y ligandos.

La nueva familia de potenciales aislantes topológicos orgánicos de los investigadores tiene macrociclos de panal 2D que contienen anillos de trifenilo, metales paladio o platino, y grupos de enlace amino. Con características cuánticas prometedoras y una alta estabilidad teórica, estos complejos pueden servir como aislantes topológicos en aplicaciones del mundo real.

"Estos materiales son fáciles de fabricar, y más barato que sus homólogos inorgánicos, ", dice Yang." También son adecuados para ensamblar directamente sobre superficies semiconductoras, lo que hace que las aplicaciones nanoelectrónicas sean más factibles ".