Panales triangulares: Los físicos diseñan un nuevo material cuántico

Materiales cuánticos topológicos con ventajas distintivas

16.09.2021 - Alemania

Investigadores del Clúster de Excelencia Würzburg-Dresden ct.qmat-Complejidad y Topología en la Materia Cuántica- han concebido y realizado un nuevo material cuántico: "Indeneno". Formado por una sola capa del elemento químico indio, el indeneno enriquece la familia de los llamados aislantes topológicos. El entramado triangular que subyace a su concepto de diseño de materiales a medida no sólo es novedoso en el contexto de los materiales cuánticos topológicos, sino que también ofrece importantes ventajas para futuras aplicaciones. Desde el descubrimiento del primer aislante topológico se ha atribuido a esta clase de materiales un enorme potencial para el desarrollo de la electrónica del futuro.

Los teléfonos inteligentes, los ordenadores portátiles y otros dispositivos electrónicos de nuestra vida cotidiana se benefician enormemente de la miniaturización cada vez mayor de los dispositivos semiconductores. Sin embargo, este desarrollo tiene un precio: el confinamiento de los electrones aumenta su dispersión y los teléfonos móviles se calientan.

Los aislantes topológicos prometen una tecnología más eficiente y sostenible. A diferencia de los semiconductores convencionales, la corriente fluye por sus fronteras y la dispersión queda prohibida por razones de simetría. En otras palabras, ¡las cosas se mantienen frías! En 2007, Laurens Molenkamp, físico de la Universidad de Würzburg y miembro del Cluster de Excelencia, descubrió el primer material cuántico topológico, generando una resonancia mundial en la comunidad científica.

Diminutas nanopartículas mejoran el transporte de cargas

"El diseño especial de nuestros materiales nos ha permitido descubrir propiedades que conocemos por la teoría pero que antes no podíamos ver"

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Indeno: un panal oculto

En la búsqueda de nuevos materiales topológicos, la mayor parte de los esfuerzos teóricos se han centrado hasta ahora en capas de átomos bidimensionales en disposición de panal. La motivación viene del grafeno, la "Drosophila" de los sistemas cuánticos de spin Hall, o más sencillamente, una sola capa del famoso grafito que hay dentro de nuestros antiguos lápices clásicos. El equipo de investigación de Würzburg ha seguido en cambio una vía alternativa: los físicos teóricos del entorno de Giorgio Sangiovanni han propuesto utilizar una red atómica triangular más sencilla.

Esta idea ha sido puesta en práctica por el equipo experimental de Ralph Claessen, portavoz de la rama de Würzburg de ct.qmat. Utilizando las más modernas técnicas de haces moleculares, los investigadores consiguieron depositar una única capa de átomos de indio como red triangular sobre un cristal de carburo de silicio como soporte, lo que dio lugar al indeneno. Gracias a esta nueva combinación de bloques de construcción y elementos químicos, los electrones correspondientes no se localizan directamente en las posiciones del indio, sino que prefieren ocupar el espacio libre entre ellas. Desde la perspectiva de los electrones, su carga llena el "negativo" de la red triangular del indio, que en realidad es una red en forma de panal, oculta en los huecos de la estructura atómica.

El jefe del proyecto, Giorgio Sangiovanni, lo explica a través de la naturaleza mecánica cuántica de las partículas: "Se pueden describir los electrones de indio como ondas que se amontonan en los huecos de la red triangular donde a primera vista no se esperaría que estuvieran. Curiosamente, la conectividad "oculta" del panal resultante da lugar a un aislante topológico especialmente robusto, más que el grafeno".

Materiales cuánticos topológicos con ventajas distintivas

El diseño único de los materiales que ha llevado a la síntesis del indeneno puede mejorar el estado tecnológico actual en el campo de la electrónica topológica: A diferencia del grafeno, el indeneno no necesita ser enfriado a temperaturas ultrabajas para manifestar sus propiedades como aislante topológico. Esto es consecuencia de su red triangular especialmente sencilla, que permite crear grandes dominios estructurales, lo que suele ser un grave cuello de botella en la síntesis de otros materiales topológicos.

"Nos ha sorprendido que una estructura atómica tan sencilla pueda presentar propiedades topológicas. Se trata de una ventaja esencial para el crecimiento exitoso de películas de indeneno perfectas que puedan cumplir los exigentes estándares requeridos para la nanofabricación de dispositivos. Además, el uso de carburo de silicio como sustrato de soporte nos permite conectar con la tecnología de semiconductores establecida", afirma Ralph Claessen al comentar el resultado científico.

Perspectiva

La sencilla estructura del indeneno representa al mismo tiempo un reto: en cuanto la única capa de átomos de indio entra en contacto con el aire, el material pierde sus propiedades especiales. Por esta razón, los investigadores están desarrollando actualmente una capa de recubrimiento atómico que pueda proteger el indeneno de la contaminación no deseada durante su síntesis. Una solución a estos problemas allanará el camino hacia un uso a gran escala de estos materiales cuánticos topológicos.

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

Publicación original

M. Bauernfeind, J. Erhardt, P. Eck, P. Thakur, J. Gabel, T.-L. Lee, J. Schäfer, S. Moser, D. Di Sante, R. Claessen & G. Sangiovanni; "Design and realization of topological Dirac fermions on a triangular lattice"; Nature Communications; 12, 5396 (2021).

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