Los físicos de la Universidad de Würzburg han hecho un descubrimiento sorprendente en un tipo específico de aisladores topológicos. Pudieron detectar nuevos estados electrónicos de la materia en estos aisladores. El efecto se debe a la estructura de los materiales utilizados. Los investigadores hanahora publicaron su trabajo en la revista Ciencia
Los aislantes topológicos son actualmente un tema candente en física. Hace solo unas semanas, su importancia se destacó nuevamente cuando la Real Academia de Ciencias de Suecia en Estocolmo otorgó el Premio Nobel de Física de este año a tres científicos británicos por su investigación de los llamadostransiciones de fase topológica y fases topológicas de la materia.
Los aislantes topológicos también se están estudiando en los Departamentos de Física Experimental II y Física Teórica I de la Universidad de Würzburg. Se centran en una versión especial de aisladores llamados aislantes cristalinos topológicos TCI. En cooperación con la Academia de Ciencias de Polonia enLos físicos de Varsovia y la Universidad de Zúrich, Würzburg, han logrado un gran avance: pudieron detectar nuevos estados electrónicos de la materia en estos aisladores.
Paso bordes electrones directos
El resultado central: cuando los materiales cristalinos se dividen, pequeñas terrazas atómicamente planas emergen en las superficies separadas que están separadas entre sí por bordes escalonados. Dentro de estas estructuras, se forman canales conductores para corrientes eléctricas que son extremadamente estrechas a solo 10nm y sorprendentemente robusto contra perturbaciones externas. Los electrones viajan en estos canales conductores con diferentes giros en direcciones opuestas, similar a una autopista con carriles separados para las dos direcciones. Este efecto hace que los materiales sean interesantes para aplicaciones tecnológicas en futuros componentes electrónicos como ultra-computadoras rápidas y energéticamente eficientes.
"Los TCI son relativamente simples de producir y ya son diferentes de los materiales convencionales debido a su estructura cristalina especial", explica el Dr. Paolo Sessi los antecedentes del artículo publicado recientemente. Sessi es investigadora en el Departamento de Física Experimental IIy el autor principal del estudio. Además, estos materiales deben su calidad especial a sus propiedades electrónicas: en los materiales topológicos, la dirección de giro determina la dirección en la que viajan los electrones. En pocas palabras, el "giro" puede interpretarse como undipolo magnético que puede apuntar en dos direcciones "arriba" y "abajo". En consecuencia, los electrones de giro hacia arriba en los TCI se mueven en uno y los electrones de giro hacia abajo en la otra dirección.
Se trata de la cantidad de capas atómicas
"Pero antes los científicos no sabían cómo producir los canales conductores necesarios para este fin", dice el profesor Matthias Bode, jefe del Departamento de Física Experimental II y coautor del estudio. Era una casualidad que ahora obtuviera elInvestigadores en el camino correcto: descubrieron que los canales conductores muy estrechos se producen naturalmente al dividir el plomo y el seleniuro de estaño PbSnSe, un aislante cristalino.
Los bordes de los escalones en las superficies de los fragmentos causan este fenómeno. Se pueden tomar imágenes usando una microscopía de túnel de barrido de alta resolución, o más precisamente, la altura de los bordes de los escalones correspondientes ". Los bordes que unen un número par de capas atómicas son totalmentediscreto. Pero si los bordes abarcan un número impar de capas atómicas, se crea un área pequeña de unos 10 nm de ancho que tiene las propiedades de los canales conductores electrónicos que estábamos buscando ", explica Sessi.
El patrón se rompe en el borde
Con el apoyo de sus colegas del Departamento de Física Teórica I y la Universidad de Zúrich, los físicos experimentales pudieron arrojar luz sobre el origen de estos nuevos estados electrónicos. Para comprender el principio, se requiere un pequeño sentido espacial :
"La estructura cristalina provoca una disposición de los átomos donde los diferentes elementos se alternan como los cuadrados en blanco y negro en un tablero de ajedrez", explica Matthias Bode. Este patrón alternativo en blanco y negro se aplica a ambos cuadrados adyacentes y cuadrados situadosdebajo y uno encima del otro.
Entonces, si la grieta de este cristal atraviesa diferentes capas atómicas, se crea más de un borde allí. Visto desde arriba, los cuadrados blancos también pueden colindarse con otros cuadrados blancos a lo largo de este borde y los cuadrados negros con otros cuadrados negros, o idénticosátomos a átomos idénticos. Sin embargo, esto solo funciona si un número impar de capas atómicas es responsable de la diferencia de altura de las dos superficies.
Respaldado por cálculos
"Los cálculos muestran que este desplazamiento en la superficie es en realidad causante de estos nuevos estados electrónicos", dice Paolo Sessi. Además, prueban que el fenómeno de los canales conductores dependientes del espín, que es característico de los materiales topológicos, ocurre aquí comobien.
Según los científicos, esta propiedad en particular hace que el descubrimiento sea relevante para aplicaciones potenciales, porque tales canales conductores causan una baja pérdida de conducción por un lado y pueden usarse directamente para transmitir y procesar información en el campo de la espintrónica por el otro.
Sin embargo, se deben responder varias preguntas y superar los desafíos antes de que esto se convierta en realidad. Por ejemplo, los científicos aún no están seguros de a qué distancia se pueden transportar las corrientes en los canales conductores recién descubiertos. Además, paraPara implementarse en circuitos, se tendrían que desarrollar métodos que permitan crear bordes de escalones de una altura definida a lo largo de direcciones específicas.
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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