É ultrafino, eletricamente condutivo na borda e altamente isolante interno - e tudo isso em temperatura ambiente:os físicos da Universidade de Würzburg desenvolveram um novo material promissor.

A classe de materiais dos isolantes topológicos é atualmente o foco da pesquisa internacional de sólidos. Esses materiais são eletricamente isolantes, porque os elétrons mantêm ligações fortes com os átomos. Em suas superfícies, Contudo, eles são condutores devido aos efeitos quânticos.

Adicionalmente, a orientação do spin do elétron é capaz de transmitir informações de maneira muito eficiente. Ele é protegido contra espalhamento ao se mover através desses canais de superfície. Com essas propriedades, isoladores topológicos podem realizar um sonho antigo - processamento de dados baseado em spin direto, ou os chamados spintrônicos.

Conceitos anteriores só funcionam na geladeira

Até agora, Contudo, tem havido um grande obstáculo ao uso de tais canais de superfície para aplicações técnicas:"À medida que a temperatura de um isolador topológico aumenta, todos os efeitos quânticos são eliminados e com eles, as propriedades especiais das bordas eletricamente condutoras, "Dr. Jörg Schäfer explica; ele é um professor particular na cadeira de Física Experimental 4 da Universidade de Würzburg.

Por esta razão, todos os isoladores topológicos conhecidos precisam ser resfriados a temperaturas muito baixas - geralmente até 270 graus Celsius negativos - para poder estudar as propriedades quânticas dos canais de borda. "Claro, tais condições não são muito praticáveis ​​para aplicações potenciais, como eletrônicos ultrarrápidos ou computadores quânticos, "diz o físico.

Uma equipe de físicos de Würzburg apresentou agora um conceito inteiramente novo para contornar esse problema com elegância. Os cientistas publicaram seus resultados na edição atual da Ciência .

Design de material direcionado

A descoberta de Würzburg é baseada em uma combinação especial de materiais:um filme ultrafino que consiste em uma única camada de átomos de bismuto depositados em um substrato de carboneto de silício.

O que torna essa combinação tão especial? "A estrutura cristalina do substrato de carboneto de silício faz com que os átomos de bismuto se organizem em uma geometria de favo de mel ao depositar o filme de bismuto - muito semelhante à estrutura do grafeno 'material milagroso', que é feito de átomos de carbono ", O professor Ralph Claessen explica. Por causa desta analogia, o filme muito fino é chamado de "bismuteno".

Mas tem uma diferença decisiva em relação ao grafeno:"O bismuteno forma uma ligação química com o substrato, "O professor Ronny Thomale diz. Ele desempenha um papel central no novo conceito de fornecer ao material as propriedades eletrônicas desejadas. Isso é destacado pela modelagem baseada em computador:" Considerando que o bismuto comum é um metal eletricamente condutor, a monocamada em favo de mel permanece um isolante distinto, mesmo em temperatura ambiente e muito acima, "acrescenta o físico. Para criar artificialmente essa tão desejada condição inicial, os átomos pesados ​​de bismuto são engenhosamente combinados com o substrato de carboneto de silício igualmente isolante.

Autoestrada de elétrons no limite

Os canais de condução eletrônicos entram em ação na borda de um pedaço de bismuteno. É aqui que os canais de borda metálica estão localizados, que serão usados ​​para o processamento de dados do futuro. Isso não foi apenas concluído teoricamente pela equipe de pesquisa de Würzburg, também foi comprovado em experimentos usando técnicas microscópicas.

A fim de aproveitar os canais de ponta para componentes eletrônicos, é fundamental que não haja curto-circuito no interior do material topológico ou no substrato. "Os isoladores topológicos anteriores exigiam resfriamento extremo para garantir isso, "Jörg Schäfer explica. O novo conceito de bismuteno torna esse esforço redundante:O comportamento distinto de isolamento do filme e do substrato elimina quaisquer curtos-circuitos perturbadores.

Os cientistas de Würzburg acreditam que esta é a etapa de fazer o material funcionar à temperatura ambiente, o que tornará a descoberta interessante para aplicações potenciais em condições realistas. “Esses canais de condução são protegidos topologicamente. Isso significa que podem ser usados ​​para transmitir informações virtualmente sem perdas, "Ralph Claessen diz. Essa abordagem torna a transmissão de dados com poucos spins de elétrons concebível. Portanto, a equipe de Würzburg espera grandes avanços para uma tecnologia de informação eficiente.