Los investigadores han creado nanoribones de una clase emergente de materiales llamados aislantes topológicos y utilizaron un campo magnético para controlar sus propiedades de semiconductores, un paso hacia el aprovechamiento de la tecnología para estudiar física exótica y construir nuevos dispositivos espintrónicos o computadoras cuánticas.
A diferencia de los materiales ordinarios que son aislantes o conductores, los aislantes topológicos son paradójicamente ambos al mismo tiempo: son aislantes en el interior pero conducen electricidad en la superficie, dijo Yong P. Chen, profesor asociado de física y astronomía de la Universidad de Purdue yIngeniería eléctrica e informática que trabajó con el estudiante de doctorado Luis A. Jauregui y otros investigadores.
Los materiales podrían usarse para dispositivos "espintrónicos" y computadoras cuánticas prácticas mucho más potentes que las tecnologías actuales. En los nuevos hallazgos, los investigadores utilizaron un campo magnético para inducir el llamado "modo helicoidal" de electrones, una capacidad quepodría permitir controlar el estado de rotación de los electrones.
Los hallazgos se detallan en un trabajo de investigación que apareció en la publicación anticipada en línea de la revista Nanotecnología de la naturaleza el 18 de enero y demostró que se puede usar un campo magnético para inducir a los nanoribones a experimentar una "transición topológica", cambiando entre un material que posee un intervalo de banda en la superficie y uno que no.
"El silicio es un semiconductor, lo que significa que tiene un intervalo de banda, un rasgo que se necesita para encender y apagar la conducción, la base de los transistores digitales basados en silicio para almacenar y procesar información en código binario", dijo Chen ".El cobre es un metal, lo que significa que no tiene separación de banda y siempre es un buen conductor. En ambos casos, la presencia o ausencia de una separación de banda es una propiedad fija. Lo extraño de la superficie de estos materiales es que puede controlar sitiene un intervalo de banda o no solo aplicando un campo magnético, por lo que es algo sintonizable, y esta transición es periódica en el campo magnético, por lo que puede conducirlo a través de muchos estados 'separados' y 'sin espacios' ".
Los nanoribones están hechos de telururo de bismuto, el material detrás de las tecnologías de enfriamiento de estado sólido, como los refrigeradores termoeléctricos comerciales.
"El telururo de bismuto ha sido el material del caballo de batalla del enfriamiento termoeléctrico durante décadas, pero solo en los últimos años la gente descubrió que este material y los materiales relacionados tienen esta increíble propiedad adicional de ser aislantes topológicos", dijo.
El documento fue escrito por Jauregui; Michael T. Pettes, ex investigador postdoctoral en la Universidad de Texas en Austin y ahora profesor asistente en el Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Connecticut; Leonid P. Rokhinson, profesor de Purduede física y astronomía e ingeniería eléctrica e informática; Li Shi, BF Goodrich Profesor de Ingeniería de Materiales en la Universidad de Texas en Austin; y Chen
Un hallazgo clave fue que los investigadores documentaron el uso de nanoribones para medir las llamadas oscilaciones de Aharonov-Bohm, que es posible conduciendo electrones en direcciones opuestas en trayectorias en forma de anillo alrededor de los nanoribones. La estructura del nanoribón - aEl nanocable que es topológicamente el mismo que un cilindro es clave para el descubrimiento porque permite el estudio de los electrones a medida que viajan en una dirección circular alrededor de la cinta. Los electrones se conducen solo en la superficie de los nanocables, trazando una circulación cilíndrica..
"Si dejas que los electrones viajen en dos caminos alrededor de un anillo, en los caminos izquierdo y derecho, y se encuentran en el otro extremo del anillo, interferirán constructivamente o destructivamente dependiendo de la diferencia de fase creada por un campo magnético,dando como resultado una conductividad alta o baja, respectivamente, que muestra la naturaleza cuántica de los electrones que se comportan como ondas ", dijo Jauregui.
Los investigadores demostraron una nueva variación en esta oscilación en las superficies del aislador topológico al inducir el modo helicoidal de giro de los electrones. El resultado es la capacidad de pasar de la interferencia constructiva a la destructiva y viceversa.
"Esto proporciona evidencia muy definitiva de que estamos midiendo los electrones helicoidales de espín", dijo Jauregui. "Estamos midiendo estos estados de la superficie topológica. Este efecto realmente no se ha visto de manera muy convincente hasta hace poco, así que ahora este experimento realmente proporciona claridadevidencia de que estamos hablando de estos electrones helicoidales giratorios que se propagan en el cilindro, por lo que este es un aspecto de esta oscilación ".
Los resultados también mostraron esta oscilación en función del "voltaje de la puerta", que representa otra forma de cambiar la conducción de mayor a menor.
"El cambio ocurre siempre que la circunferencia del nanoribón contiene solo un número entero de la longitud de onda mecánica cuántica, o 'longitud de onda fermi', que se sintoniza por el voltaje de la puerta de los electrones que envuelve la superficie", dijo Chen.
Fue la primera vez que los investigadores han visto este tipo de oscilación dependiente de la puerta en nanoribones y lo correlaciona aún más con la estructura de banda aislante topológica del telururo de bismuto.
Se dice que los nanoribones poseen "protección topológica", evitando que los electrones en la superficie se dispersen hacia atrás y permitiendo una alta conductividad, una calidad que no se encuentra en los metales y los semiconductores convencionales. Fueron fabricados por investigadores de la UT Austin.
Las mediciones se realizaron mientras los nanoribones se enfriaron a aproximadamente menos 273 grados Celsius casi menos 460 grados Fahrenheit.
"Tenemos que operar a bajas temperaturas para observar la naturaleza mecánica cuántica de los electrones", dijo Chen.
La investigación futura incluirá trabajo para investigar más a fondo los nanocables como una plataforma para estudiar la física exótica necesaria para los cálculos cuánticos topológicos. Los investigadores buscarán conectar los nanocables con superconductores, que conducen electricidad sin resistencia, para dispositivos de superconductores aislantes topológicos híbridosAl combinar aún más los aisladores topológicos con un superconductor, los investigadores pueden construir una computadora cuántica práctica que sea menos susceptible a las impurezas y perturbaciones ambientales que han presentado desafíos hasta el momento. Dicha tecnología realizaría cálculos utilizando las leyes de la mecánica cuántica,haciendo que las computadoras sean mucho más rápidas que las computadoras convencionales en ciertas tareas, como búsquedas en bases de datos y descifrado de códigos.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Purdue . Original escrito por Emil Venere. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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