La espintrónica se refiere a un conjunto de sistemas físicos que algún día pueden reemplazar a muchos sistemas electrónicos. Para realizar este salto generacional, Los componentes materiales que confinan los electrones en una dimensión son muy buscados. Por primera vez, Los investigadores han creado un material de este tipo en forma de un cristal especial a base de bismuto conocido como aislante topológico de alto orden.

Para crear dispositivos espintrónicos, Es necesario diseñar nuevos materiales que aprovechen los comportamientos cuánticos que no se ven en la vida cotidiana. Probablemente esté familiarizado con conductores y aisladores, que permiten y restringen el flujo de electrones, respectivamente. Los semiconductores son comunes pero menos familiares para algunos; estos suelen aislar, pero conducta bajo ciertas circunstancias, haciéndolos interruptores en miniatura ideales.

Para aplicaciones espintrónicas, Se requiere un nuevo tipo de material electrónico y se llama aislante topológico. Se diferencia de estos otros tres materiales por aislar en todo su volumen, pero conduciendo solo a lo largo de su superficie. Y lo que conduce no es el flujo de electrones en sí, sino una propiedad de ellos conocida como su espín o momento angular. Esta corriente de giro, como se le conoce, podría abrir un mundo de dispositivos de ultra alta velocidad y bajo consumo.

Sin embargo, no todos los aisladores topológicos son iguales:dos tipos, los llamados fuertes y débiles, ya han sido creados, pero tiene algunos inconvenientes. Mientras realizan un giro a lo largo de toda su superficie, los electrones presentes tienden a dispersarse, lo que debilita su capacidad para transmitir una corriente de espín. Pero desde 2017, Se ha teorizado un tercer tipo de aislante topológico llamado aislante topológico de orden superior. Ahora, por primera vez, uno ha sido creado por un equipo del Instituto de Física del Estado Sólido de la Universidad de Tokio.

"Creamos un aislante topológico de orden superior utilizando el elemento bismuto, ", dijo el profesor adjunto Takeshi Kondo." Tiene la capacidad novedosa de poder conducir una corriente de espín solo a lo largo de los bordes de las esquinas, esencialmente líneas unidimensionales. Como la corriente de giro está ligada a una dimensión en lugar de a dos, los electrones no se dispersan, por lo que la corriente de espín permanece estable ".

Para crear este cristal tridimensional, Kondo y su equipo apilaron rodajas bidimensionales de cristal de un átomo de espesor de cierta manera. Para aisladores topológicos fuertes o débiles, las rodajas de cristal de la pila están todas orientadas de la misma manera, como jugar a las cartas boca abajo en una baraja. Pero para crear el aislante topológico de orden superior, la orientación de las rodajas se alteró, los naipes metafóricos estaban boca arriba y luego abajo repetidamente a lo largo de la pila. Este sutil cambio en la disposición provoca un gran cambio en el comportamiento del cristal tridimensional resultante.

Las capas de cristal de la pila se mantienen juntas mediante una fuerza mecánica cuántica llamada fuerza de van der Waals. Este es uno de los raros tipos de fenómenos cuánticos que realmente ves en la vida diaria, ya que es en parte responsable de la forma en que los materiales en polvo se agrupan y fluyen como lo hacen. En el cristal adhiere las capas juntas.

"Fue emocionante ver que las propiedades topológicas aparecen y desaparecen dependiendo solo de la forma en que se apilan las hojas atómicas bidimensionales, ", dijo Kondo." Tal grado de libertad en el diseño de materiales traerá nuevas ideas, conduciendo hacia aplicaciones que incluyen dispositivos espintrónicos rápidos y eficientes, y cosas que todavía tenemos que imaginar ".

El estudio se publica en Materiales de la naturaleza .