Esquemas de la corriente de espín en una superficie aislante topológica, con la dirección de giro (S) perpendicular a la dirección actual (kx). El esquema de acercamiento muestra la estructura de la banda electrónica en la superficie del aislante topológico. La polarización de espín en la superficie del aislante topológico es probada eléctricamente por un contacto de túnel ferromagnético (FM). Crédito:André Dankert
Investigadores de la Universidad Tecnológica de Chalmers han informado por primera vez de la detección eléctrica de la corriente de espín en las superficies de los aislantes topológicos a temperatura ambiente mediante el empleo de un detector ferromagnético. Los hallazgos se han publicado en la revista Nano Letters.
Los materiales de estado sólido se dividieron convencionalmente en tres clases diferentes, como conductores, semiconductores y aislantes. Recientemente, se ha propuesto y realizado una nueva clase de materiales, llamados "aislantes topológicos", donde las propiedades aislantes y conductoras pueden coexistir en el mismo material.
Los aisladores topológicos son aislantes dentro del volumen, pero son conductores en sus superficies con menos resistencia que los materiales convencionales. Esto es posible debido a su interacción excepcionalmente fuerte entre el espín de los electrones y el momento angular orbital con su simetría de inversión de tiempo. La interacción es tan fuerte que el momento angular de espín de los electrones está bloqueado perpendicularmente a su momento, y genera una corriente polarizada de espín espontánea sobre las superficies de los aislantes topológicos mediante la aplicación de un campo eléctrico.
Estos electrones conductores de espín polarizados en la superficie no tienen masa y son extremadamente robustos contra la mayoría de las perturbaciones de defectos o impurezas. y puede permitir la propagación de corrientes de giro sin disipación.
Los investigadores de Chalmers detectaron eléctricamente la corriente de espín superficial en un aislante topológico llamado seleniuro de bismuto (Bi 2 Se 3 ) por primera vez a temperatura ambiente empleando contactos de túnel ferromagnéticos. Se sabe que tales contactos son muy sensibles a la polarización de espín y sondean el Bi 2 Se 3 superficie midiendo la magnetorresistencia debida a la alineación paralela y antiparalela de la corriente de espín y la dirección de magnetización del ferromagnético.
"Los factores clave para estos resultados de temperatura ambiente son cristales aislantes topológicos de buena calidad y contactos de túnel ferromagnéticos sensibles al giro cuidadosamente preparados por nanofabricación de sala limpia", explica el Dr. André Dankert, el autor principal del artículo.
Los informes anteriores en este campo de investigación se limitaron solo a mediciones a temperaturas criogénicas. A partir de los resultados sobre la magnitud de la señal de giro, su signo, y experimentos de control, utilizando diferentes configuraciones de medición, ángulos y condiciones de la interfaz, El autor descarta otros efectos físicos conocidos.
"Nuestros resultados muestran la accesibilidad eléctrica de las corrientes de giro en las superficies de los aislantes topológicos hasta la temperatura ambiente y allanan el camino para futuros desarrollos, que puede ser útil para el procesamiento de información basado en espines en el futuro ", dice el profesor asociado Saroj Dash, quien lidera el grupo de investigación.
Sin embargo, Saroj Dash advierte que la investigación sobre el desarrollo de estos nuevos materiales de clase y técnicas de medición aún se encuentra en su etapa inicial y se requieren más experimentos para una mayor comprensión.
