Se consideran uno de los materiales más interesantes para la electrónica del futuro: los aisladores topológicos conducen la electricidad de una manera especial y mantienen la promesa de circuitos novedosos y comunicaciones móviles más rápidas. Bajo el liderazgo de Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf HZDR, un equipo de investigación de Alemania, España y Rusia ha descubierto una propiedad fundamental de esta nueva clase de materiales: ¿Cómo responden exactamente los electrones del material cuando son "asustados" por pulsos cortos de la llamada radiación de terahercios?no solo son importantes para nuestra comprensión básica de este novedoso material cuántico, sino que podrían presagiar una comunicación de datos móviles más rápida o sistemas detectores de alta sensibilidad para explorar mundos distantes en los próximos años, informa el equipo en Materiales cuánticos NPJ .
Los aislantes topológicos son una clase muy reciente de materiales que tienen una propiedad cuántica especial: en su superficie pueden conducir la electricidad casi sin pérdidas mientras que su interior funciona como aislante; ninguna corriente puede fluir allí. Mirando hacia el futuro, estoabre perspectivas interesantes: los aislantes topológicos podrían constituir la base de componentes electrónicos de alta eficiencia, lo que los convierte en un campo de investigación interesante para los físicos.
Pero una serie de preguntas fundamentales aún no han sido respondidas. ¿Qué sucede, por ejemplo, cuando le das a los electrones en el material un "empujón" usando ondas electromagnéticas específicas, la llamada radiación de terahercios, generando así un estado excitado?La cosa está clara: los electrones quieren deshacerse del impulso de energía que se les impone lo más rápido posible, por ejemplo, calentando la red cristalina que los rodea. En el caso de los aislantes topológicos, sin embargo, anteriormente no estaba claro si deshacerse deesta energía sucedió más rápido en la superficie conductora que en el núcleo aislante. "Hasta ahora, simplemente no teníamos los experimentos adecuados para averiguarlo", explica el líder del estudio, el Dr. Sergey Kovalev, del Instituto de Física de la Radiación en HZDR.hasta ahora, a temperatura ambiente, era extremadamente difícil diferenciar la reacción superficial de la del interior del material ".
Para superar este obstáculo, él y su equipo internacional desarrollaron una configuración de prueba ingeniosa: pulsos intensivos de terahercios golpean una muestra y excitan los electrones. Inmediatamente después, los destellos láser iluminan el material y registran cómo responde la muestra a los terahercios.En una segunda serie de pruebas, detectores especiales miden hasta qué punto la muestra exhibe un efecto no lineal inusual y multiplica la frecuencia de los pulsos de terahercios aplicados. Kovalev y sus colegas realizaron estos experimentos utilizando la fuente de luz de terahercios TELBE en el Centro ELBE de HZDRpara fuentes de radiación de alta potencia.Investigadores del Instituto Catalán de Nanociencia y Nanotecnología de Barcelona, la Universidad de Bielefeld, el Centro Aeroespacial Alemán DLR, la Universidad Técnica de Berlín y la Universidad de Lomonosov y el Instituto Kotelnikov de Ingeniería de Radio y Electrónica de Moscúestaban involucrados.
transferencia de energía rápida
Lo decisivo fue que el equipo internacional no solo investigó un solo material. En cambio, los socios del proyecto rusos produjeron tres aisladores topológicos diferentes con propiedades diferentes, determinadas con precisión: en un caso, solo los electrones en la superficie podían absorber directamente elpulsos de terahercios. En los demás, los electrones se excitaron principalmente en el interior de la muestra. "Al comparar estos tres experimentos pudimos diferenciar con precisión entre el comportamiento de la superficie y el interior del material", explica Kovalev.resultó que los electrones en la superficie se excitaron significativamente más rápido que los del interior del material. "Aparentemente, pudieron transferir su energía a la red cristalina de inmediato.
Expresado en cifras: mientras que los electrones de la superficie volvieron a su estado energético original en unos pocos cientos de femtosegundos, los electrones "internos" tardaron aproximadamente diez veces más, es decir, unos pocos picosegundos. "Los aislantes topológicos son sistemas muy complejos.La teoría es cualquier cosa menos fácil de entender ", enfatiza Michael Gensch, ex director de las instalaciones de TELBE en HZDR y ahora jefe de departamento en el Instituto de Sistemas de Sensores Ópticos en el Centro Aeroespacial Alemán DLR y profesor en TU Berlín."los resultados pueden ayudar a decidir cuáles de las ideas teóricas son verdaderas ".
multiplicación muy eficaz
Pero el experimento también es un buen augurio para desarrollos interesantes en la comunicación digital como WLAN y comunicaciones móviles. Hoy en día, tecnologías como 5G funcionan en el rango de gigahercios. Si pudiéramos aprovechar las frecuencias más altas en el rango de terahercios, se podrían transmitir muchos más datos porun solo canal de radio, por lo que los multiplicadores de frecuencia podrían desempeñar un papel importante: pueden traducir frecuencias de radio relativamente bajas en frecuencias significativamente más altas.
Hace algún tiempo, el equipo de investigación ya se había dado cuenta de que, en determinadas condiciones, el grafeno, un carbono superfino bidimensional, puede actuar como un multiplicador de frecuencia eficiente. Es capaz de convertir la radiación de 300 gigahercios en frecuencias deAlgunos terahercios. El problema es que cuando la radiación aplicada es extremadamente intensa, hay una caída significativa en la eficiencia del grafeno. Los aislantes topológicos, por otro lado, incluso funcionan con la estimulación más intensa, según descubrió el nuevo estudio ".podría significar que es posible multiplicar frecuencias desde unos pocos terahercios hasta varias docenas de terahercios ", conjetura el físico de HZDR Jan-Christoph Deinert, que dirige el equipo de TELBE junto con Sergey Kovalev." Por el momento, no hay un final a la vista cuando se trata deaislantes topológicos. "
Si se produce tal desarrollo, los nuevos materiales cuánticos podrían usarse en un rango de frecuencia mucho más amplio que con el grafeno ". En DLR, estamos muy interesados en usar materiales cuánticos de este tipo en receptores heterodinos de alto rendimiento para astronomía.especialmente en los telescopios espaciales ", explica Gensch.
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