Los aisladores Hall de giro cuántico son una clase de estados topológicos bidimensionales (2D) de la materia que son eléctricamente aislantes en su interior pero, a diferencia de los semiconductores, llevar un par de estados metálicos unidimensionales (1D), que están estrictamente confinados a sus bordes.

Particular a estos electrones 1D 'nerviosos' es que son lo que los físicos llaman helicoidales:es decir, los espines de los electrones de conducción están alineados y vinculados a la dirección en la que los electrones se mueven a lo largo del borde 1D, similar a un par de cables unidimensionales con polarización de espín. Estas propiedades helicoidales ofrecen posibles soluciones para problemas en electrónica y espintrónica, así como dispositivos electrónicos cuánticos.

Así como una hoja de papel mantiene sus dos lados incluso cuando está arrugada, Las propiedades físicas de los estados de los bordes metálicos de un aislador Hall de espín cuántico son notablemente estables frente a las perturbaciones:están protegidas por topología.

Primero predicho teóricamente hace dos décadas, este exótico, estado topológico de la materia primero realizado en cuidadosamente diseñado, heteroestructuras de semiconductores en capas.

Más recientemente, están surgiendo clases de cristales atómicamente delgados, similar al famoso grafeno, que albergan este estado electrónico de la materia como una propiedad intrínseca.

En su artículo en Materiales avanzados en abril de 2021 (enlace a continuación), el equipo revisa los avances recientes en ingeniería de materiales junto con la descripción teórica, inspeccionando la biblioteca de aisladores Hall de espín cuántico delgados atómicamente prometedores con vistas a aplicaciones de dispositivos electrónicos cuánticos y clásicos.

Por ejemplo, el rango de temperatura sobre el cual los estados de borde exóticos se pueden aprovechar escalas con las propiedades de estos cristales, como la fuerza de acoplamiento del espín del electrón a su momento orbital.

Mientras que los aisladores Hall de espín cuántico basados ​​en heteroestructura de semiconductores solo se han caracterizado a temperaturas de helio líquido (T <4,2 K), El progreso reciente ha visto el desarrollo de cristales atómicamente delgados que conservan sus propiedades Hall de espín cuántico hasta 100 K, prometedoras demostraciones a temperatura ambiente en el futuro.

Los aisladores Quantum Spin Hall podrían usarse para nuevos tipos de electrónica que consumen menos energía, pero esto requeriría un funcionamiento a temperatura ambiente para evitar un enfriamiento costoso (y que consume mucha energía).

En los extremos de baja temperatura donde se puede inducir la superconductividad, Se han predicho aplicaciones de computación cuántica especialmente prometedoras. Cuando es superconductor, Se ha predicho que los estados de borde 1D albergarán un tipo exótico de cuasipartícula llamada "fermiones de Majorana, "que no es ni fermión ni bosón. De hecho, estos anones actúan como su propia antipartícula y obedecen a estadísticas exóticas de cuasipartículas no abelianas, lo que los convierte en candidatos interesantes como portadores de información cuántica.

En efecto, debido a su protección topológica contra perturbaciones externas, Se ha predicho que estos fermiones exóticos ofrecerán una solución potencial a un problema común en la computación cuántica, que es retener largos tiempos de coherencia, es decir, la escala de tiempo en la que se puede almacenar y procesar la información cuántica.

La computación cuántica topológica basada en Majorana se considera a menudo como uno de los problemas físicos más desafiantes de nuestro tiempo. Ha recibido una inmensa atención y escrutinio de los medios, especialmente recientemente, destacando la importancia de continuar la investigación sobre materiales alternativos y plataformas de dispositivos en las que se pueda realizar la computación cuántica topológica.

El papel, Aisladores de pasillo de giro cuántico atómicamente delgados (Michael S. Lodge, Shengyuan A. Yang, Shantanu Mukherjee, y Bent Weber) se publicó en Materiales avanzados en abril de 2021.