Los investigadores han creado nanocintas de una clase emergente de materiales llamados aislantes topológicos y han utilizado un campo magnético para controlar sus propiedades semiconductoras. un paso hacia el aprovechamiento de la tecnología para estudiar física exótica y la construcción de nuevos dispositivos espintrónicos o computadoras cuánticas.

A diferencia de los materiales ordinarios que son aislantes o conductores, Los aisladores topológicos son paradójicamente ambos al mismo tiempo:son aislantes en el interior pero conducen la electricidad en la superficie, dijo Yong P. Chen, profesor asociado de física y astronomía e ingeniería eléctrica e informática de la Universidad Purdue que trabajó con el estudiante de doctorado Luis A. Jauregui y otros investigadores.

Los materiales podrían usarse para dispositivos "espintrónicos" y computadoras cuánticas prácticas mucho más poderosas que las tecnologías actuales. En los nuevos hallazgos, los investigadores utilizaron un campo magnético para inducir un llamado "modo helicoidal" de electrones, una capacidad que podría hacer posible controlar el estado de espín de los electrones.

Los hallazgos se detallan en un artículo de investigación que apareció en la publicación anticipada en línea de la revista. Nanotecnología de la naturaleza el 18 de enero y demostró que se puede utilizar un campo magnético para inducir a las nanocintas a sufrir una "transición topológica, "cambiar entre un material que posee una banda prohibida en la superficie y uno que no la tiene.

"El silicio es un semiconductor, lo que significa que tiene una banda prohibida, un rasgo que se necesita para encender y apagar la conducción, la base de los transistores digitales basados ​​en silicio para almacenar y procesar información en código binario, "Chen dijo." El cobre es un metal, lo que significa que no tiene banda prohibida y siempre es un buen director. En ambos casos, la presencia o ausencia de una banda prohibida es una propiedad fija. Lo extraño de la superficie de estos materiales es que puede controlar si tiene una banda prohibida o no simplemente aplicando un campo magnético. así que es algo sintonizable y esta transición es periódica en el campo magnético, para que pueda conducirlo a través de muchos estados 'con brechas' y 'sin brechas' ".

Las nanocintas están hechas de telururo de bismuto, el material detrás de las tecnologías de enfriamiento de estado sólido, como los refrigeradores termoeléctricos comerciales.

"El telururo de bismuto ha sido el material de carga del enfriamiento termoeléctrico durante décadas, pero solo en los últimos años la gente descubrió que este material y los materiales relacionados tienen esta asombrosa propiedad adicional de ser aislantes topológicos, " él dijo.

El artículo fue escrito por Jauregui; Michael T. Pettes, ex investigador postdoctoral en la Universidad de Texas en Austin y ahora profesor asistente en el Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Connecticut; Leonid P. Rokhinson, un profesor de Purdue de física y astronomía e ingeniería eléctrica e informática; Li Shi, Profesor de BF Goodrich en Ingeniería de Materiales en la Universidad de Texas en Austin; y Chen

Un hallazgo clave fue que los investigadores documentaron el uso de nanocintas para medir las llamadas oscilaciones de Aharonov-Bohm, lo cual es posible mediante la conducción de electrones en direcciones opuestas en trayectorias en forma de anillo alrededor de las nanocintas. La estructura del nanoribbon, un nanoalambre que es topológicamente lo mismo que un cilindro, es clave para el descubrimiento porque permite el estudio de los electrones a medida que viajan en una dirección circular alrededor de la cinta. Los electrones conducen solo en la superficie de los nanocables, trazando una circulación cilíndrica.

"Si dejas que los electrones viajen en dos caminos alrededor de un anillo, en caminos de izquierda y derecha, y se encuentran en el otro extremo del anillo, entonces interferirán constructiva o destructivamente dependiendo de la diferencia de fase creada por un campo magnético, dando como resultado una conductividad alta o baja, respectivamente, mostrando la naturaleza cuántica de los electrones que se comportan como ondas, "Dijo Jauregui.

Los investigadores demostraron una nueva variación de esta oscilación en las superficies del aislante topológico al inducir el modo helicoidal de espín de los electrones. El resultado es la capacidad de pasar de la interferencia constructiva a la destructiva y viceversa.

"Esto proporciona una evidencia muy definitiva de que estamos midiendo los electrones helicoidales de espín, ", Dijo Jauregui." Estamos midiendo estos estados de superficie topológicos. Este efecto realmente no se ha visto de manera muy convincente hasta hace poco, así que ahora este experimento realmente proporciona una clara evidencia de que estamos hablando de estos electrones helicoidales de espín que se propagan en el cilindro, así que este es un aspecto de esta oscilación ".

Los resultados también mostraron esta oscilación en función del "voltaje de la puerta, "que representa otra forma de cambiar la conducción de alta a baja.

"El cambio ocurre siempre que la circunferencia de la nanocinta contiene solo un número entero de la longitud de onda de la mecánica cuántica, o 'longitud de onda fermi, 'que está sintonizado por el voltaje de puerta de los electrones que envuelven la superficie, "Dijo Chen.

Fue la primera vez que los investigadores vieron este tipo de oscilación dependiente de la puerta en las nanocintas y la correlacionan aún más con la estructura de la banda del aislante topológico del telururo de bismuto.

Se dice que las nanocintas poseen "protección topológica, "evitar que los electrones en la superficie se dispersen hacia atrás y permitir una alta conductividad, una cualidad que no se encuentra en metales y semiconductores convencionales. Fueron fabricados por investigadores de UT Austin.

Las mediciones se realizaron mientras las nanocintas se enfriaban a aproximadamente menos 273 grados Celsius (casi menos 460 grados Fahrenheit).

"Tenemos que operar a bajas temperaturas para observar la naturaleza mecánica cuántica de los electrones, "Dijo Chen.

La investigación futura incluirá trabajo para investigar más a fondo los nanocables como una plataforma para estudiar la física exótica necesaria para los cálculos cuánticos topológicos. Los investigadores apuntarán a conectar los nanocables con superconductores, que conducen la electricidad sin resistencia, para dispositivos híbridos topológicos aislantes-superconductores. Al combinar aún más aisladores topológicos con un superconductor, los investigadores pueden construir una computadora cuántica práctica que sea menos susceptible a las impurezas y perturbaciones ambientales que han presentado desafíos hasta ahora. Tal tecnología realizaría cálculos usando las leyes de la mecánica cuántica, lo que hace que las computadoras sean mucho más rápidas que las computadoras convencionales en ciertas tareas, como búsquedas en bases de datos y descifrado de códigos.