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FÍSICA

Electricidad de muchas formas

En contacto con semiconductores, materiales especiales adquieren nuevas posibilidades de conducir la corriente eléctrica

Direcciones posibles de los espines de la corriente eléctrica Las flechas indican los distintos sentidos de los espines en la superficie de contacto entre el arseniuro de galio y el seleniuro de bismuto, como resultado de la interacción entre los materiales. Cada círculo representa los niveles diferentes de energía de los electrones. Los espines de la corriente eléctrica pueden variar en sentido horario (círculos azules) o antihorario (los círculos rosas).

Seixas et al., Nature Communications Direcciones posibles de los espines de la corriente eléctrica: Las flechas indican los distintos sentidos de los espines en la superficie de contacto entre el arseniuro de galio y el seleniuro de bismuto, como resultado de la interacción entre los materiales. Cada círculo representa los niveles diferentes de energía de los electrones. Los espines de la corriente eléctrica pueden variar en sentido horario (círculos azules) o antihorario (los círculos rosas).Seixas et al., Nature Communications

Un nuevo tipo de material especial capaz de conducir electricidad en su superficie, y no en su interior, podría adquirir versatilidad –y conducir electricidad en diversas direcciones y con niveles de energía distintos– luego de entrar en contacto con un material semiconductor de electricidad utilizado desde hace décadas en las computadoras, de acuerdo con simulaciones realizadas por físicos de la Universidad de São Paulo (USP) y del Instituto Politécnico Rensselaer, en Estados Unidos.

Esta conclusión, producto de un estudio en el cual se empleó el modelado computacional, sorprendió al apuntar la posibilidad de reorganización de los electrones encargados de la conducción de la electricidad. Otro hallazgo inesperado fue la indicación de que la corriente eléctrica podría generarse y controlarse mediante haces de láser aplicados en el área de contacto situada entre los materiales.

Los investigadores arribaron a estos resultados al analizar qué podría suceder cuando el arseniuro de galio, un material semiconductor utilizado en la fabricación de computadoras, LEDs y láseres, se apoyase sobre un material de propiedades electrónicas completamente distintas, el seleniuro de bismuto, capaz de conducir corrientes eléctricas especiales. En el seleniuro de bismuto, una propiedad de los electrones similar a la rotación, el espín, está siempre apuntando en una misma dirección, paralela a la superficie del material. Las simulaciones en computadora indicaron que el contacto entre materiales distintos aumentaría las posibilidades de organizar los espines de las corrientes eléctricas en la capa existente entre los materiales.

“Al entrar en contacto, el arseniuro de galio y el seleniuro de bismuto modifican sus propiedades electrónicas”, sostuvo físico brasileño Leandro Seixas, uno de los autores del estudio y actualmente investigador en la Universidad Nacional de Singapur. Seixas empezó a investigar las interacciones entre los materiales durante una pasantía que realizó en el Instituto Rensselaer en su doctorado, concluido en 2014 bajo la dirección de Adalberto haczio, del Instituto de Física de la USP (lea en Pesquisa FAPESP, edición no 192).

Los cálculos indicaron que cuando el seleniuro de bismuto toca al arseniuro de galio, los electrones mantienen la capacidad de moverse de manera ordenada por el área de contacto existente entre ambos materiales. Asimismo, alteraciones en el nivel de energía y en la velocidad de los electrones parecen permitir cambiar el sentido de rotación (espines) y, de todos modos, mantenerlos ordenados.

De confirmarse en mediciones experimentales, esta propiedad torna posible codificar y manipular informaciones en los espines, creando la base de una nueva tecnología de computación llamada espintrónica. En las computadoras actuales, el procesamiento de la información se realiza a través de transistores de silicio, un material semiconductor. Los transistores de silicio controlan el paso de corrientes con miríadas de electrones, sin considerar sus espines, que en esos materiales semiconductores apuntan en direcciones aleatorias. Para los físicos, materiales como el seleniuro de bismuto, denominados aislantes topológicos debido a que conducen la corriente eléctrica únicamente en su superficie, tornarían posible crear un nuevo tipo de transistor que procesaría la información mediante el uso corrientes eléctricas de espines ordenados, lo que puede, en principio, ser más rápido y generar menor pérdida de energía.

Proyecto
Propiedades electrónicas, magnéticas y de transporte en nanoestructuras (nº 2010/162023); Modalidad Proyecto Temático; Investigador responsable Adalberto Fazzio (IFUSP); Inversión R$ 1.327.201,88 (FAPESP).

Artículo científico
SEIXAS, L. et al. Vertical twinning of the Dirac cone at the interface between topological insulators and semiconductors. Nature Communications. v. 6, n. 7630. 3 jul. 2015.

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