Es ultradelgado, eléctricamente conductor en el borde y altamente aislante en el interior, y todo eso a temperatura ambiente: los físicos de la Universidad de Würzburg han desarrollado un nuevo material prometedor.
La clase de material de los aislantes topológicos es actualmente el foco de la investigación internacional de sólidos. Estos materiales son eléctricamente aislantes en su interior, porque los electrones mantienen fuertes enlaces con los átomos. Sin embargo, en sus superficies son conductores debido a los efectos cuánticos.
Es más: el electrón tiene una aguja de brújula incorporada, el giro, cuya orientación es capaz de transmitir información de manera muy eficiente. Está protegido contra la dispersión cuando se mueve a través de estos canales de superficie. Con estas propiedades, los aisladores topológicos podrían hacer unviejo sueño hecho realidad: procesamiento directo de datos basado en espín, los llamados espintrónicos.
Los conceptos anteriores solo funcionan en el refrigerador
Hasta ahora, sin embargo, ha habido un obstáculo importante para usar tales canales de superficie para aplicaciones técnicas: "A medida que aumenta la temperatura de un aislante topológico, se eliminan todos los efectos cuánticos y con ellos las propiedades especiales de los bordes eléctricamente conductores,"El Dr. Jörg Schäfer explica; es profesor particular en la Cátedra de Física Experimental 4 de la Universidad de Würzburg.
Por esta razón, todos los aislantes topológicos conocidos deben enfriarse a temperaturas muy bajas, generalmente a menos 270 grados centígrados, para poder estudiar las propiedades cuánticas de los canales de borde ". Por supuesto, tales condiciones no sonmuy práctico para aplicaciones potenciales como electrónica ultrarrápida o computadoras cuánticas ", dice el físico.
Un equipo de físicos de Würzburg ha presentado un concepto completamente nuevo para evitar este problema con elegancia. Los miembros del equipo incluyeron al profesor Ralph Claessen y al profesor privado Dr. Jörg Schäfer de la Cátedra de Física Experimental IV y al profesor Ronny Thomale, al profesor Werner Hanke yDr. Gang Li, de la Cátedra de Física Teórica I. Los científicos ahora han publicado sus resultados en la edición actual de Science.
diseño de material dirigido
El avance de Würzburg se basa en una combinación especial de materiales: una película ultrafina que consiste en una sola capa de átomos de bismuto depositados en un sustrato de carburo de silicio.
¿Qué hace que esta combinación sea tan especial? "La estructura cristalina del sustrato de carburo de silicio hace que los átomos de bismuto se organicen en una geometría de panal al depositar la película de bismuto, muy similar a la estructura del grafeno 'material milagroso', que escompuesto por átomos de carbono ", explica el profesor Ralph Claessen. Debido a esta analogía, la película delgada se llama" bismuthene ".
Pero tiene una diferencia decisiva en comparación con el grafeno: "El bismuto forma un enlace químico con el sustrato", detalla el profesor Ronny Thomale. Desempeña un papel central en el nuevo concepto para proporcionar al material las propiedades electrónicas deseadas. Esto se destacapor modelado basado en computadora: "Mientras que el bismuto común es un metal conductor de la electricidad, la monocapa de panal sigue siendo un aislante distinto, incluso a temperatura ambiente y muy por encima", agrega el físico. Para crear artificialmente esta situación inicial tan deseada, los átomos de bismuto pesadose combinan ingeniosamente con el sustrato de carburo de silicio igualmente aislante.
Autopista electrónica en el borde
Los canales de conducción electrónica entran en juego en el borde de una pieza de bismuto. Aquí es donde se encuentran los canales de borde metálicos que se utilizarán para el procesamiento de datos del futuro. Esto no solo ha sido concluido teóricamente por Würzburgequipo de investigación, también se ha demostrado en experimentos con técnicas microscópicas.
Sin embargo, para aprovechar los canales de borde de los componentes electrónicos, es crucial que no haya un cortocircuito a través del interior del material topológico o del sustrato. "Los aisladores topológicos anteriores requerían un enfriamiento extremo para asegurar esto", Jörg SchäferEl nuevo concepto de bismuto hace que este esfuerzo sea redundante: el comportamiento aislante distintivo de la película y el sustrato elimina cualquier cortocircuito perturbador.
Los científicos de Würzburg creen que es este paso de hacer que el material funcione a temperatura ambiente lo que hará que el descubrimiento sea interesante para aplicaciones potenciales en condiciones realistas. "Tales canales de conducción están 'protegidos topológicamente'. Esto significa que pueden usarse para transmitirinformación prácticamente sin pérdida ", dice Ralph Claessen. Este enfoque hace posible la transmisión de datos con pocos espines de electrones, los llamados espintrónicos. Por lo tanto, el equipo de Würzburg espera grandes avances para una tecnología de información eficiente."
Resultado de la investigación colaborativa
Este avance en la física topológica es el resultado directo de la estrecha cooperación de los físicos de Würzburg en el Centro de Investigación Colaborativa SFB1170 "ToCoTronics" Electrónica topológica y correlacionada en superficies e interfaces financiado por el DFG.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Julius-Maximilians-Universität Würzburg, JMU . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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