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Aislante topológico

Magia superficial

Brasileños comienzan a investigar un nuevo material que puede revolucionar la electrónica y la computación

Ilustração Igor Zolnerkevic/ Fotografia Leo RamosRepresentación de electrones con espines alineadosIlustração Igor Zolnerkevic/ Fotografia Leo Ramos

Desde hace años, una moda se ha venido imponiendo en la subárea de la física que estudia los sólidos, la llamada física de la materia condensada. La fiebre del momento es un nuevo tipo de material con propiedades electrónicas únicas, denominado intimidador de aislantes topológicos. “Son fantásticos”, afirma el físico Adalberto Fazzio, de la Universidad de São Paulo (USP), coordinador del área de nanotecnología del Ministerio de Ciencia y Tecnología.

Fazzio testimonió la explosión del interés en los aislantes topológicos durante el encuentro de la Sociedad Americana de Física, realizado en marzo de 2010, cuando investigadores de todo el mundo se agolparon para presenciar las charlas sobre las primeras evidencias concluyentes de la producción relativamente barata de estos materiales. Desde entonces, las investigaciones con aislantes topológicos no se han difundido más pura y exclusivamente a causa de la compleja teoría que está por detrás de ellos y de las sofisticadas técnicas necesarias para analizarlos en laboratorio. Retos encarados recientemente por dos grupos brasileños: uno teórico, liderado por Fazzio, y otro experimental, coordinado por el físico Vagner Eustáquio de Carvalho, de la Universidad Federal de Minas Gerais (UFMG).

Según Carvalho, la esperanza de que la nueva niña de los ojos de la materia condensada sea algo más que una moda pasajera sigue siendo alta. “Las posibilidades de aplicaciones tecnológicas son reales”, dice. “No tengo dudas de que dentro de unos cinco años contaremos dispositivos electrónicos producidos con base en estos materiales.”

El secreto del éxito de los aislantes topológicos reside en su superficie. En trabajos publicados entre 2005 y 2006, dos equipos estadounidenses de físicos teóricos, uno liderado por Charles Kane, de la Universidad de Pensilvania, y el otro por Joel Moore, de la Universidad de California en Berkeley, previeron que las partículas portadoras de carga negativa, los electrones, se comportarían de manera muy extraña al atravesar un pedazo de cristal elaborado con ciertos metales pesados, como el bismuto. Los electrones evitarían el interior del material, propagándose únicamente sobre la superficie del cristal. Hasta allí, nada demasiado espectacular. El cristal funcionaría como el envés de un cable eléctrico: tendría el núcleo aislante envuelto por una capa metálica conductora de electricidad.

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Pero lo que dejó a los físicos realmente boquiabiertos fue la manera espontáneamente ordenada en que los electrones se moverían sobre la superficie. Los electrones poseen una propiedad magnética llamada espín, que puede representarse como una pequeña flecha. Así como los espines de los electrones de un imán apuntan todos en un misma sentido y le confieren las propiedades magnéticas al material, los electrones de una corriente eléctrica que se desliza por la superficie de un aislante topológico tiene sus espines alineados, como si fuese una hilera perfecta de soldados con sus bayonetas apuntando todas en la misma dirección. Tal comportamiento solamente había sido observado anteriormente en materiales sujetos a campos magnéticos sumamente intensos y a temperaturas extremadamente bajas, cercanas al cero absoluto. Pero los aislantes topológicos funcionarían por sí solos, sin necesidad de aplicárseles campos externos, y a temperatura ambiente.

Asimismo, esta tendencia obstinada al orden hace que los electrones pasen rápidamente por las pequeñas imperfecciones o impurezas situadas en la superficie del cristal, sin desviarse ni perder energía como la mayoría de los materiales. Estas corrientes veloces y organizadas les permitieron a los ingenieros inaugurar la era de la espintrónica, cuya idea es valerse del espín electrónico no solamente para construir las minúsculas memorias magnéticas actuales, sino también nuevos transistores magnéticos, que procesarían la información de manera más rápida y energéticamente más eficiente, en forma de ceros y unos codificados en el espín. Existen también trabajos teóricos que muestran que sería posible, en principio, echar mano del comportamiento colectivo de los electrones en el aislante topológico para plasmar un nuevo tipo de computación: la computación cuántica, exponencialmente más rápida que la convencional.

El origen de los aislantes topológicos se encuentra en la interacción entre el espín y la órbita de los electrones, un fenómeno que se registra en átomos con número atómico elevado y al que los físicos denominan interacción espín-órbita. De acuerdo con la teoría, esta interacción altera una propiedad abstracta de las funciones matemáticas que describen el movimiento de los electrones. Es la inversión de dicha propiedad, llamada paridad, lo que crea los estados especiales de conducción eléctrica en la superficie del material. Sin una interacción espín-órbita lo suficientemente fuerte, el material funcionaría como un aislante normal.

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Para entender mejor la génesis y las propiedades de los estados de superficie, Fazzio y sus alumnos de doctorado de la USP, Leonardo Abdalla y Leandro Rocha, junto con Tomé Schmidt y Roberto Miwa, ambos físicos de la Universidad Federal de Uberlândia, en Minas Gerais, resolvieron, con la ayuda de computadoras, las ecuaciones de la mecánica cuántica, incluida la interacción espín-órbita, describiendo la estructura, átomo por átomo, de uno de los aislantes topológicos más estudiados en laboratorio: el seleniuro de bismuto (Bi2Se3).

El cristal se forma por el apilamiento de bloques compactos de tres capas atómicas de selenio intercaladas con dos de bismuto. Entre estos bloques de cinco átomos de espesor hay un espaciado mayor, conocido como gap de van der Waals, donde las  conexiones interatómicas son más frágiles. En una de las simulaciones computacionales, cuyo resultado aún no ha salido publicado, los investigadores forzaron la separación entre dos de esos bloques. Así pudieron observar, paso por paso, el nacimiento de los estados de conducción en las superficies creadas por la variación de ese gap en el cristal, verificando cuál debía ser el espaciado mínimo para que surgiesen: 7,2 angstroms, en ese caso.

En otro trabajo, que será presentado el día 28 de este mes en un encuentro de la Sociedad Americana de Física, en Boston, Fazzio, Schmidt y Miwa se valieron de las mismas técnicas computacionales para investigar qué sucedería con el seleniuro de bismuto si se lo expusiese al aire y algunos átomos de oxígeno se alojasen en el cristal. La simulación de los investigadores demostró que, a diferencia de materiales tales como el silicio, en el cual la oxidación puede arruinar completamente sus propiedades electrónicas, el seleniuro de bismuto permanece como aislante topológico en presencia de oxígeno. La oxidación solamente aumenta ligeramente la energía de los estados conductores, un efecto que podría aprovecharse para controlar dichos estados en futuras aplicaciones tecnológicas.

En tanto, en un estudio publicado en diciembre de 2011 en la revista Physical Review B, el trío de físicos teóricos simuló la inserción de átomos de cobalto en el seleniuro de bismuto. Al contrario que en el caso del oxígeno, las propiedades magnéticas del cobalto hacen que este átomo interfiera en la interacción espín-órbita, destruyendo la “protección” de los estados conductores de superficie contra las impurezas y defectos del cristal. No obstante, los átomos de cobalto generan a su alrededor un nuevo patrón ordenado de espines. Mientras que en el material puro los espines de los electrones se alinean paralelos a la superficie del material, la presencia del cobalto introduce nuevos estados, perpendiculares a la superficie. Estos estados de espín perpendiculares podrían emplearse para codificar memorias magnéticas en futuros dispositivos en escala atómica.

La búsqueda del ideal
Con todo, para plasmar todas estas aplicaciones tecnológicas aún habrá que sortear diversos obstáculos. El principal de éstos indica que, en efecto, las muestras de seleniuro de bismuto y de otro material prometedor, el teluro de bismuto (Bi2Te3), analizadas hasta ahora, se comportaron como aislantes topológicos sólo aproximadamente. Inevitables impurezas hacen que su interior conduzca poca electricidad. Esta corriente residual puede interferir en la corriente de espín ordenado en la superficie. “La obtención de estados de superficie completamente limpios es fundamental para lograr una aplicación tecnológica de estos materiales”, explica Carvalho.

El grupo de investigadores de la UFMG tuvo suerte. Cuando el interés en los aislantes topológicos hizo eclosión, Carvalho y sus colegas ya tenían listas las muestras de Bi2Te3 y Bi2Se3 que habían producido para un trabajo anterior, cuando estudiaron las propiedades termoeléctricas de esos materiales.

Un estudio realizado en colaboración con el grupo del físico Philip Hofmann, de la Universidad de Aarhus, Dinamarca, y presentado en agosto de 2011 en la Décima Conferencia Internacional de Estructuras de Superficie en Hong Kong, demostró que las muestras tenían la calidad necesaria como para estudiar las propiedades de los aislantes topológicos.

Durante ese lapso, Carvalho, Edmar Soares y los estudiantes Diogo Reis y Wendell Simões fueron los primeros que emplearon en un laboratorio brasileño la técnica conocida como Arpes, sigla en inglés para espectroscopía de fotoelectrones con resolución angular. Al aplicar esta técnica, partículas de luz emitidas por una lámpara especial colisionan con una muestra mantenida en un ambiente de ultra alto vacío y arrancan sus electrones. Un espectrómetro de alta resolución mide entonces las propiedades de dichos electrones, permitiendo deducir su estado en el material. Por medio de la técnica Arpes, se confirmó la existencia de los aislantes topológicos.

Ali Yazdani / Universidade Princeton / Science Photo Library / LatinstockLos electrones se propagan en la superficie que tiene defectos de aislante topológicoAli Yazdani / Universidade Princeton / Science Photo Library / Latinstock

Los investigadores de Minas Gerais dominan otra técnica: la difracción de electrones de baja energía (Leed), con la cual logran determinar la estructura atómica en la superficie de las muestras. Pretenden asociar la Leed y la Arpes para investigar la influencia de la posición de los átomos en los estados electrónicos del material.

Otro experimento prometedor que el grupo ha llevado adelante es la deposición de capas ultradelgadas de otros átomos (antimonio, cobre, estaño o manganeso) sobre los cristales de Bi2Te3 y Bi2Se3. Investigaciones recientes demostraron que la presencia de estas películas metálicas ultradelgadas disminuye la densidad de electrones que son conducidos por el interior del material. “La esperanza”, explica Carvalho, “reside en que, en la medida en que controlemos la presencia de estos filmes, obtengamos un aislante topológico verdadero.”

El Proyecto
Simulacion y modelado de nanoestructuras e materiales complejos (n° 2005/59581-6); Modalidad Projeto Temático; Coordinador Adalberto Fazzio – IF/USP; Invesión R$ 607.550,62 (FAPESP)

Artículo científico
SCHMIDT, T.M.; et al. Spin texture and magnetic anisotropy of Co impurities in Bi2Se3 topological insulators. Physical Review B. v. 84. 13 de dez. 2011.

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