Smartphones, notebooks e outros dispositivos eletrônicos de nossa vida cotidiana se beneficiam fortemente da miniaturização cada vez maior de dispositivos semicondutores. No entanto, esse desenvolvimento tem um preço:o confinamento de elétrons aumenta seu espalhamento - os telefones celulares esquentam.

Os isoladores topológicos prometem uma tecnologia mais eficiente e sustentável. Em desacordo com os semicondutores convencionais, a corrente flui em seus limites, com a dispersão tornando-se proibida devido a razões de simetria. Em outras palavras, as coisas ficam legais! Em 2007 Laurens Molenkamp, físico da Universidade de Würzburg e membro do Cluster of Excellence, descobriu o primeiro material quântico topológico, gerando uma ressonância mundial na comunidade científica.

Indenene - um favo de mel escondido

Na busca por novos materiais topológicos, a maioria dos esforços teóricos até agora têm se concentrado em camadas de átomos bidimensionais em um arranjo de favo de mel. A motivação vem do grafeno, a "Drosophila" dos sistemas Hall de spin quântico, ou mais simplesmente, uma única camada do famoso grafite dentro de nossos lápis clássicos de estilo antigo. A equipe de pesquisa em Würzburg seguiu uma rota alternativa:os físicos teóricos em torno de Giorgio Sangiovanni propuseram usar uma rede atômica triangular mais simples.

Essa ideia foi colocada em prática pela equipe experimental de Ralph Claessen, porta-voz da filial de Würzburg da ct.qmat. Usando técnicas de feixe molecular de última geração, os pesquisadores conseguiram depositar uma única camada de átomos de índio como rede triangular em um cristal de carboneto de silício como suporte - resultando em indeneno. Graças a essas novas combinações de blocos de construção e elementos químicos, os elétrons relevantes não se localizam diretamente nas posições do índio, mas preferem ocupar o espaço livre entre eles. Da perspectiva dos elétrons, sua carga preenche o "negativo" da rede triangular de índio, que na verdade é uma rede em favo de mel - oculta nos vazios da estrutura atômica.

O chefe do projeto, Giorgio Sangiovanni, explica isso por meio da natureza mecânica quântica das partículas:"Pode-se descrever os elétrons de índio como ondas que se acumulam nos vazios da rede triangular onde, à primeira vista, você não esperaria que estivessem. Curiosamente, a conectividade de favo de mel 'oculta' resultante leva a um isolador topológico particularmente robusto, mais do que grafeno. "

Materiais quânticos topológicos com vantagens distintas

O design de materiais exclusivo que levou à síntese do indeneno pode melhorar o status tecnológico atual no campo da eletrônica topológica:Em contraste com o grafeno, o indeneno não precisa ser resfriado a temperaturas ultrabaixas para manifestar suas propriedades como isolante topológico. Esta é uma consequência da rede triangular particularmente simples que permite grandes domínios estruturais, frequentemente um gargalo severo na síntese de outros materiais topológicos.

"Ficamos realmente surpresos, que tal estrutura atômica simples pode exibir propriedades topológicas. Este é um ativo essencial para o crescimento bem-sucedido de filmes de indeneno perfeitos que podem atender aos padrões exigentes exigidos para a nanofabricação de dispositivos. Além disso, o uso de carboneto de silício como substrato de suporte nos permite conectar a tecnologia de semicondutor estabelecida, "diz Ralph Claessen, comentando o resultado científico.

Panorama

A estrutura simples do indeneno representa ao mesmo tempo um desafio:assim que a única camada de átomos de índio entra em contato com o ar, o material perde suas propriedades especiais. Por esse motivo, os pesquisadores estão desenvolvendo uma camada de cobertura atômica que pode proteger o indeneno de contaminação indesejada durante sua síntese. Uma solução para esses problemas abrirá o caminho para o uso em larga escala desses materiais quânticos topológicos.