Nos últimos anos, isoladores topológicos se tornaram um dos tópicos mais quentes da física. Esses novos materiais atuam como isolantes e condutores, com seu interior impedindo o fluxo de correntes elétricas enquanto suas bordas ou superfícies permitem o movimento de uma carga.

Talvez o mais importante, as superfícies de isoladores topológicos permitem o transporte de elétrons com polarização de spin, evitando o "espalhamento" tipicamente associado ao consumo de energia, em que os elétrons se desviam de sua trajetória, resultando em dissipação.

Por causa de tais características, esses materiais têm grande potencial para uso em futuros transistores, dispositivos de memória e sensores magnéticos que são altamente eficientes em termos de energia e requerem menos energia.

Em um estudo publicado hoje em Nature Nanotechnology , pesquisadores da Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas Henry Samueli da UCLA e da divisão de materiais da Universidade de Queensland da Austrália mostram a promessa de canais de condução de superfície em nanofitas isolantes topológicas feitas de telureto de bismuto e demonstram que os estados de superfície nessas nanofitas são "sintonizáveis" - pode ser ligado e desligado dependendo da posição do nível Fermi.

"Nossa descoberta permite uma variedade de oportunidades na construção de uma nova geração potencial, dispositivos nanoeletrônicos e spintrônicos de baixa dissipação, da detecção magnética ao armazenamento, "disse Kang L. Wang, o professor Raytheon de Engenharia Elétrica na UCLA Engineering, cuja equipe realizou a pesquisa.

O telureto de bismuto é bem conhecido como um material termoelétrico e também foi previsto como um isolante topológico tridimensional com estados de superfície robustos e únicos. Experimentos recentes com materiais a granel de telureto de bismuto também sugeriram canais de condução bidimensionais originados dos estados de superfície. Mas tem sido um grande desafio modificar a condução superficial, por causa da contribuição em massa dominante devido a impurezas e excitações térmicas em tais semicondutores de lacuna de banda pequena.

O desenvolvimento de nanofitas isolantes topológicos ajudou. Com suas grandes proporções de superfície para volume, essas nanofitas melhoram significativamente as condições da superfície e permitem a manipulação da superfície por meios externos.

Wang e sua equipe usaram nanofitas finas de telureto de bismuto como canais condutores em estruturas de transistores de efeito de campo. Estes dependem de um campo elétrico para controlar o nível de Fermi e, portanto, a condutividade de um canal. Os pesquisadores conseguiram demonstrar pela primeira vez a possibilidade de controlar os estados de superfície em nanoestruturas isolantes topológicas.

"Demonstramos uma condução de superfície clara, removendo parcialmente a condução em massa usando um campo elétrico externo, "disse Faxian Xiu, um associado de pesquisa da equipe da UCLA e autor principal do estudo. "Ajustando adequadamente a tensão do gate, a condução superficial muito alta foi alcançada, até 51 por cento, que representa os maiores valores em isolantes topológicos. "

"Esta pesquisa é muito empolgante devido à possibilidade de construir nanodispositivos com um novo princípio operacional, "disse Wang, que também é diretor associado do California NanoSystems Institute (CNSI) na UCLA. "Muito semelhante ao desenvolvimento do grafeno, os isoladores topológicos poderiam ser transformados em transistores de alta velocidade e sensores de ultra-alta sensibilidade. "

As novas descobertas lançam luz sobre a controlabilidade dos estados de rotação da superfície em nanofitas isolantes topológicos e demonstram um progresso significativo em direção às condições elétricas de alta superfície para aplicações práticas de dispositivos. A próxima etapa da equipe de Wang é produzir dispositivos de alta velocidade com base em sua descoberta.

"O cenário ideal é atingir 100 por cento de condução superficial com um estado de isolamento completo na massa, "Xiu disse." Com base no trabalho atual, pretendemos transistores de alto desempenho com consumo de energia muito menor do que a tecnologia convencional de semicondutores de óxido de metal complementar (CMOS) usada normalmente na eletrônica de hoje. "

Colaboradores do estudo Jin Zou, professor de engenharia de materiais na University of Queensland; Yong Wang, um Queensland International Fellow; e a equipe de Zou na divisão de materiais da University of Queensland contribuiu significativamente para esse trabalho. Uma parte da pesquisa também foi feita no laboratório de Alexandros Shailos na UCLA.