Los aislantes topológicos, una clase de materiales que se ha investigado durante poco más de una década, se han anunciado como un nuevo 'material maravilloso', como lo ha hecho el grafeno. Pero hasta ahora, los aisladores topológicos no han cumplido con las expectativas alimentadas porestudios teóricos. Los físicos de la Universidad de Groningen ahora tienen una idea de por qué. Su análisis fue publicado el 27 de julio en la revista Revisión física B .
Los aislantes topológicos son materiales que están aislando a granel pero permiten que la carga fluya a través de la superficie. Estos estados conductores en la superficie se originan a partir de patrones de ordenamiento en los estados donde residen los electrones que son diferentes de los materiales ordinarios. Este ordenamiento está vinculado alconcepto físico de 'topología', análogo al que se usa en matemáticas. Esta propiedad da lugar a estados muy robustos con algunas propiedades especiales.
átomos pesados
Por un lado, su giro, una propiedad magnética de los electrones que puede tener los valores 'arriba' o 'abajo', está bloqueado en su movimiento. 'Esto significa que los electrones que se mueven hacia la derecha han girado hacia abajo, y aquellos que se mueven hacia abajoa la izquierda han girado ", explica el primer autor del estudio Eric de Vries, estudiante de doctorado en el grupo de investigación" Espintrónica de materiales funcionales "dirigido por su supervisor, el profesor Dr. Tamalika Banerjee. Este grupo es parte del Instituto Zernikepara materiales avanzados. "¡Pero también significa que cuando se inyectan electrones con espín en un aislante topológico de este tipo, viajarán hacia la izquierda!" Por lo tanto, los aisladores topológicos pueden ser muy útiles en la realización de espintrónicos: electrónica basada en el espín cuantificadovalor en lugar de la carga de electrones.
Las propiedades especiales de los aislantes topológicos se predicen mediante el análisis teórico de las estructuras superficiales de estos materiales, hechas de cristales de átomos pesados. Pero los experimentos muestran resultados mixtos, que no están a la altura de las predicciones teóricas. "Nos preguntamos¿Por qué? Entonces, diseñamos experimentos para investigar el comportamiento de los electrones del estado de la superficie. Específicamente, queríamos ver si el transporte está realmente limitado a la superficie, o si también está presente en la mayor parte del material ''.
sorprendente
Los experimentos anteriores del grupo, en el que utilizaron ferromagnetos para detectar los espines de los electrones generados en el aislante topológico, fueron sorprendentes, dice De Vries. "Demostramos que un voltaje presumiblemente procedente de la detección de espín puede originarse en factores distintos albloqueo del giro de electrones a su movimiento. Usando diferentes geometrías, mostramos que los artefactos relacionados con campos magnéticos dispersos generados por los ferromagnetos pueden imitar voltajes de giro similares. 'Esta observación puede conducir a una reevaluación de algunos resultados publicados.
Esta vez, utilizaron un enfoque diferente. "Analizamos los aislantes topológicos usando campos magnéticos fuertes. Esto hace que los electrones oscilen en los canales de transporte". De Vries fue al Laboratorio Nacional de Magnetos de Campo Alto en la Universidad de Radboud Nijmegen, donde unEl imán 33-Tesla está disponible, uno de los imanes más fuertes del mundo. "Otros han realizado pruebas similares con imanes más débiles, pero estos no son lo suficientemente sensibles como para revelar los canales de transporte adicionales que coexisten con los estados de la superficie". Los experimentos de De Vries mostraronque una parte considerable del transporte de carga se produjo en la fase a granel del material, y no solo en la superficie.
canales de transporte
La razón de esto, explica De Vries, es la estructura cristalina imperfecta del aislante topológico. "A veces faltan átomos en la estructura cristalina. Esto resulta en electrones que se mueven libremente. Estos comienzan a conducirse como nuevos canales de transporte, generando electricidadcorriente en la mayor parte del material. '
Entonces, ¿por qué nadie ha notado esto antes? De Vries enfatiza que interpretar las mediciones de transporte realizadas en aisladores topológicos puede ser difícil. "Experimentamos esto en nuestros experimentos anteriores. Nuestro mensaje es que se necesita un cuidado extremo en la interpretación de observaciones experimentales paradispositivos basados en estos materiales. 'Además, los experimentos que pueden llevar a conclusiones más claras requieren campos magnéticos muy altos en laboratorios especializados.
Glitches
Los resultados apuntan a una forma de mejorar los aislantes topológicos. "La clave es hacer crecer los cristales sin átomos faltantes. Otra solución es llenar los agujeros, por ejemplo, con iones de calcio que unen los electrones libres. Pero eso podría causar otrosperturbaciones a la movilidad de los electrones. "Durante diez años, los aislantes topológicos estaban de moda. Se compararon con el grafeno material maravilloso. El descubrimiento de que, en la práctica, los aislantes topológicos tienen fallas técnicas sirve como un control de la realidad. De Vries:" Nosotrosnecesita estudiar y comprender la interacción entre los estados de la superficie y el material a granel con mucho más detalle ''.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Groningen . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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