Usando ferramentas teóricas sofisticadas, Os pesquisadores do A * STAR identificaram uma maneira de construir isolantes topológicos - uma nova classe de materiais spin-active - a partir de complexos de base orgânica planar em vez de cristais inorgânicos tóxicos.

A estrutura cristalina única dos isoladores topológicos os torna isolantes em todos os lugares, exceto em torno de suas bordas. Como a condutividade desses materiais está localizada em estados de superfície quantizados, a corrente que passa por isoladores topológicos adquire características especiais. Por exemplo, pode polarizar spins de elétrons em uma única orientação - um fenômeno que os pesquisadores estão explorando para produzir 'acoplamentos spin-órbita' que geram campos magnéticos para spintrônica sem a necessidade de ímãs externos.

Muitos isolantes topológicos são feitos por esfoliação repetida de minerais inorgânicos, como teluretos de bismuto ou selenetos de bismuto, com fita adesiva até ficar plana, folhas bidimensionais (2D) aparecem. "Isso dá propriedades superiores em comparação com cristais em massa, mas a esfoliação mecânica tem reprodutibilidade pobre, "explica Shuo-Wang Yang, do Instituto A * STAR de Computação de Alto Desempenho." Propusemos investigar isoladores topológicos com base em complexos de coordenação orgânica, porque essas estruturas são mais adequadas para a síntese química úmida tradicional do que materiais inorgânicos. "

Complexos de coordenação são compostos nos quais moléculas orgânicas conhecidas como ligantes se ligam simetricamente em torno de um átomo de metal central. Yang e sua equipe identificaram novos complexos de ligantes orgânicos 'persistentes na forma' como bons candidatos para seu método. Esses compostos apresentam ligantes feitos de pequenos, anéis aromáticos rígidos. Ao usar metais de transição para ligar esses blocos de construção orgânicos em anéis maiores conhecidos como 'macrociclos', os pesquisadores podem construir redes 2D estendidas que apresentam mobilidade de portadores de alta carga.

Localizar redes orgânicas 2D com propriedades isolantes topológicas desejáveis ​​é difícil quando se confia apenas em experimentos. Para refinar esta pesquisa, Yang e colegas usaram uma combinação de cálculos quânticos e simulações de estrutura de banda para rastrear a atividade eletrônica de vários complexos orgânicos persistentes de forma. A equipe procurou por dois fatores-chave em suas simulações:ligantes que podem deslocar elétrons em um plano 2D semelhante ao grafeno e forte acoplamento spin-órbita entre nós centrais de metal de transição e ligantes.

A nova família de potenciais isolantes topológicos orgânicos dos pesquisadores tem macrociclos em favo de mel 2D contendo anéis trifenil, paládio ou metais de platina, e grupos de ligação amino. Com recursos quânticos promissores e alta estabilidade teórica, esses complexos podem servir como isolantes topológicos em aplicações do mundo real.

"Esses materiais são fáceis de fabricar, e mais baratos do que seus equivalentes inorgânicos, "diz Yang." Eles também são adequados para montagem diretamente em superfícies de semicondutores, o que torna as aplicações nanoeletrônicas mais viáveis. "