En 2005, los físicos de materia condensada Charles Kane y Eugene Mele consideraron el destino del grafeno a bajas temperaturas. Su trabajo condujo al descubrimiento de un nuevo estado de la materia denominado "aislante topológico", que marcaría el comienzo de una nueva era de materialesCiencias.
"Un aislante topológico es un material que es un aislante en su interior pero que es altamente conductor en su superficie", dijo Andrea Young, profesora asistente de física de UC Santa Bárbara. En dos dimensiones, un aislante topológico ideal tendría una conductancia "balística"en sus bordes, explicó Young, lo que significa que los electrones que viajan a través de la región encontrarían resistencia cero.
Irónicamente, si bien el trabajo de Kane y Mele conduciría al descubrimiento del comportamiento de aislamiento topológico en una amplia variedad de materiales, su predicción original - de un aislante topológico en grafeno - no se ha realizado.
En el centro del problema se encuentra el acoplamiento espín-órbita, un efecto débil en el que el espín del electrón interactúa con su movimiento orbital alrededor del núcleo. Es crítico para todos los aisladores topológicos, el acoplamiento espín-órbita es excepcionalmente débil en grafeno,para que cualquier comportamiento de aislamiento topológico sea ahogado por otros efectos que surjan de la superficie sobre la cual se apoya el grafeno.
"El acoplamiento débil de la órbita giratoria en el grafeno es una lástima", dijo el investigador postdoctoral Joshua Island, porque en la práctica las cosas realmente no han funcionado tan bien para los aisladores topológicos en dos dimensiones ". Los aislantes topológicos bidimensionales conocidos por"La fecha es desordenada y no es muy fácil trabajar con ella", dijo Island. La conductancia en los bordes tiende a disminuir rápidamente con la distancia que recorren los electrones, lo que sugiere que está lejos de ser balística. Al darse cuenta de un aislante topológico en grafeno, un dos por lo demás muy perfectomaterial dimensional, podría proporcionar una base para circuitos eléctricos balísticos de baja disipación o formar el sustrato de material para bits cuánticos protegidos topológicamente.
Ahora, en un trabajo publicado en la revista Naturaleza Island, Young y sus colaboradores han encontrado una forma de convertir el grafeno en un aislante topológico TI. "El objetivo del proyecto era aumentar o mejorar el acoplamiento de la órbita giratoria en el grafeno", dijo Island, autor principal.los intentos se han realizado a lo largo de los años con un éxito limitado. "Una forma de hacerlo es colocar un material que tenga un acoplamiento de órbita de giro muy grande muy cerca del grafeno. La esperanza era que al hacerlo sus electrones de grafenoasumir esta propiedad del material subyacente ", explicó.
¿El material de elección? Después de estudiar varias posibilidades, los investigadores se decidieron por un dicholcogenuro de metal de transición TMD, que consiste en el tungsteno de metal de transición y el selenio de calcógeno. Similar al grafeno, el diselenuro de tungsteno viene en monocapas bidimensionales, unidaspor las fuerzas de van der Waals, que son interacciones relativamente débiles y dependientes de la distancia entre átomos o moléculas. Sin embargo, a diferencia del grafeno, los átomos más pesados del TMD conducen a un acoplamiento de espín-órbita más fuerte. El dispositivo resultante presenta la conductancia de electrones balísticos del grafeno imbuida con elfuerte acoplamiento de órbita giratoria de la capa TMD cercana.
"Vimos una mejora muy clara de ese acoplamiento giro-órbita", dijo Island.
"Al agregar el acoplamiento giro-órbita del tipo correcto, Joshua pudo descubrir que esto de hecho conduce a una nueva fase que es casi topológicamente aislante", dijo Young. En la idea original, explicó, el aislante topológicoconsistía en una monocapa de grafeno con un fuerte acoplamiento giro-órbita.
"Tuvimos que usar un truco solo disponible en multicapas de grafeno para crear el tipo correcto de acoplamiento de giro-órbita", Young explicó sobre su experimento, que utilizaba una bicapa de grafeno ". Y así obtienes algo que se aproxima a dos aisladores topológicos apiladosuno encima del otro ". Sin embargo, funcionalmente, el dispositivo de Island funciona tan bien como otros aislantes topológicos 2D conocidos: los estados de borde más importantes se propagan durante al menos varias micras, mucho más tiempo que en otros materiales TI conocidos.
Además, según Young, este trabajo está un paso más cerca de construir un aislante topológico real con grafeno. "Desde entonces, el trabajo teórico ha demostrado que una tricapa de grafeno, fabricada de la misma manera, conduciría a un verdadero aislante topológico".
Lo más importante, los dispositivos realizados por Island y Young se pueden sintonizar fácilmente entre una fase de aislamiento topológico y un aislante regular, que no tiene estados de borde de conducción.
"Puede enrutar estos conductores perfectos a donde quiera", dijo, "Y eso es algo que nadie ha podido hacer con otros materiales".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de California - Santa Bárbara . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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