{"id":4409,"date":"2012-02-26T15:49:14","date_gmt":"2012-02-26T18:49:14","guid":{"rendered":"http:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/2012\/02\/26\/magia-superficial-2\/"},"modified":"2015-10-19T14:16:05","modified_gmt":"2015-10-19T16:16:05","slug":"magia-superficial-2","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/magia-superficial-2\/","title":{"rendered":"Magia superficial"},"content":{"rendered":"
\"\"

Ilustra\u00e7\u00e3o Igor Zolnerkevic\/ Fotografia Leo Ramos<\/span>Representaci\u00f3n de electrones con espines alineadosIlustra\u00e7\u00e3o Igor Zolnerkevic\/ Fotografia Leo Ramos<\/span><\/p><\/div>\n

Desde hace a\u00f1os, una moda se ha venido imponiendo en la sub\u00e1rea de la f\u00edsica que estudia los s\u00f3lidos, la llamada f\u00edsica de la materia condensada. La fiebre del momento es un nuevo tipo de material con propiedades electr\u00f3nicas \u00fanicas, denominado intimidador de aislantes topol\u00f3gicos. \u201cSon fant\u00e1sticos\u201d, afirma el f\u00edsico Adalberto Fazzio, de la Universidad de S\u00e3o Paulo (USP), coordinador del \u00e1rea de nanotecnolog\u00eda del Ministerio de Ciencia y Tecnolog\u00eda.<\/p>\n

Fazzio testimoni\u00f3 la explosi\u00f3n del inter\u00e9s en los aislantes topol\u00f3gicos durante el encuentro de la Sociedad Americana de F\u00edsica, realizado en marzo de 2010, cuando investigadores de todo el mundo se agolparon para presenciar las charlas sobre las primeras evidencias concluyentes de la producci\u00f3n relativamente barata de estos materiales. Desde entonces, las investigaciones con aislantes topol\u00f3gicos no se han difundido m\u00e1s pura y exclusivamente a causa de la compleja teor\u00eda que est\u00e1 por detr\u00e1s de ellos y de las sofisticadas t\u00e9cnicas necesarias para analizarlos en laboratorio. Retos encarados recientemente por dos grupos brasile\u00f1os: uno te\u00f3rico, liderado por Fazzio, y otro experimental, coordinado por el f\u00edsico Vagner Eust\u00e1quio de Carvalho, de la Universidad Federal de Minas Gerais (UFMG).<\/p>\n

Seg\u00fan Carvalho, la esperanza de que la nueva ni\u00f1a de los ojos de la materia condensada sea algo m\u00e1s que una moda pasajera sigue siendo alta. \u201cLas posibilidades de aplicaciones tecnol\u00f3gicas son reales\u201d, dice. \u201cNo tengo dudas de que dentro de unos cinco a\u00f1os contaremos dispositivos electr\u00f3nicos producidos con base en estos materiales.\u201d<\/p>\n

El secreto del \u00e9xito de los aislantes topol\u00f3gicos reside en su superficie. En trabajos publicados entre 2005 y 2006, dos equipos estadounidenses de f\u00edsicos te\u00f3ricos, 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 part\u00edculas portadoras de carga negativa, los electrones, se comportar\u00edan de manera muy extra\u00f1a al atravesar un pedazo de cristal elaborado con ciertos metales pesados, como el bismuto. Los electrones evitar\u00edan el interior del material, propag\u00e1ndose \u00fanicamente sobre la superficie del cristal. Hasta all\u00ed, nada demasiado espectacular. El cristal funcionar\u00eda como el env\u00e9s de un cable el\u00e9ctrico: tendr\u00eda el n\u00facleo aislante envuelto por una capa met\u00e1lica conductora de electricidad.<\/p>\n

\"044-047_Isolante<\/a><\/p>\n

Pero lo que dej\u00f3 a los f\u00edsicos realmente boquiabiertos fue la manera espont\u00e1neamente ordenada en que los electrones se mover\u00edan sobre la superficie. Los electrones poseen una propiedad magn\u00e9tica llamada esp\u00edn, que puede representarse como una peque\u00f1a flecha. As\u00ed como los espines de los electrones de un im\u00e1n apuntan todos en un misma sentido y le confieren las propiedades magn\u00e9ticas al material, los electrones de una corriente el\u00e9ctrica que se desliza por la superficie de un aislante topol\u00f3gico tiene sus espines alineados, como si fuese una hilera perfecta de soldados con sus bayonetas apuntando todas en la misma direcci\u00f3n. Tal comportamiento solamente hab\u00eda sido observado anteriormente en materiales sujetos a campos magn\u00e9ticos sumamente intensos y a temperaturas extremadamente bajas, cercanas al cero absoluto. Pero los aislantes topol\u00f3gicos funcionar\u00edan por s\u00ed solos, sin necesidad de aplic\u00e1rseles campos externos, y a temperatura ambiente.<\/p>\n

Asimismo, esta tendencia obstinada al orden hace que los electrones pasen r\u00e1pidamente por las peque\u00f1as imperfecciones o impurezas situadas en la superficie del cristal, sin desviarse ni perder energ\u00eda como la mayor\u00eda de los materiales. Estas corrientes veloces y organizadas les permitieron a los ingenieros inaugurar la era de la espintr\u00f3nica, cuya idea es valerse del esp\u00edn electr\u00f3nico no solamente para construir las min\u00fasculas memorias magn\u00e9ticas actuales, sino tambi\u00e9n nuevos transistores magn\u00e9ticos, que procesar\u00edan la informaci\u00f3n de manera m\u00e1s r\u00e1pida y energ\u00e9ticamente m\u00e1s eficiente, en forma de ceros y unos codificados en el esp\u00edn. Existen tambi\u00e9n trabajos te\u00f3ricos que muestran que ser\u00eda posible, en principio, echar mano del comportamiento colectivo de los electrones en el aislante topol\u00f3gico para plasmar un nuevo tipo de computaci\u00f3n: la computaci\u00f3n cu\u00e1ntica, exponencialmente m\u00e1s r\u00e1pida que la convencional.<\/p>\n

El origen de los aislantes topol\u00f3gicos se encuentra en la interacci\u00f3n entre el esp\u00edn y la \u00f3rbita de los electrones, un fen\u00f3meno que se registra en \u00e1tomos con n\u00famero at\u00f3mico elevado y al que los f\u00edsicos denominan interacci\u00f3n esp\u00edn-\u00f3rbita. De acuerdo con la teor\u00eda, esta interacci\u00f3n altera una propiedad abstracta de las funciones matem\u00e1ticas que describen el movimiento de los electrones. Es la inversi\u00f3n de dicha propiedad, llamada paridad, lo que crea los estados especiales de conducci\u00f3n el\u00e9ctrica en la superficie del material. Sin una interacci\u00f3n esp\u00edn-\u00f3rbita lo suficientemente fuerte, el material funcionar\u00eda como un aislante normal.<\/p>\n

\"044-047_Isolante<\/a><\/p>\n

Para entender mejor la g\u00e9nesis y las propiedades de los estados de superficie, Fazzio y sus alumnos de doctorado de la USP, Leonardo Abdalla y Leandro Rocha, junto con Tom\u00e9 Schmidt y Roberto Miwa, ambos f\u00edsicos de la Universidad Federal de Uberl\u00e2ndia, en Minas Gerais, resolvieron, con la ayuda de computadoras, las ecuaciones de la mec\u00e1nica cu\u00e1ntica, incluida la interacci\u00f3n esp\u00edn-\u00f3rbita, describiendo la estructura, \u00e1tomo por \u00e1tomo, de uno de los aislantes topol\u00f3gicos m\u00e1s estudiados en laboratorio: el seleniuro de bismuto (Bi2<\/sub>Se3<\/sub>).<\/p>\n

El cristal se forma por el apilamiento de bloques compactos de tres capas at\u00f3micas de selenio intercaladas con dos de bismuto. Entre estos bloques de cinco \u00e1tomos de espesor hay un espaciado mayor, conocido como gap de van der Waals, donde las\u00a0 conexiones interat\u00f3micas son m\u00e1s fr\u00e1giles. En una de las simulaciones computacionales, cuyo resultado a\u00fan no ha salido publicado, los investigadores forzaron la separaci\u00f3n entre dos de esos bloques. As\u00ed pudieron observar, paso por paso, el nacimiento de los estados de conducci\u00f3n en las superficies creadas por la variaci\u00f3n de ese gap en el cristal, verificando cu\u00e1l deb\u00eda ser el espaciado m\u00ednimo para que surgiesen: 7,2 angstroms, en ese caso.<\/p>\n

En otro trabajo, que ser\u00e1 presentado el d\u00eda 28 de este mes en un encuentro de la Sociedad Americana de F\u00edsica, en Boston, Fazzio, Schmidt y Miwa se valieron de las mismas t\u00e9cnicas computacionales para investigar qu\u00e9 suceder\u00eda con el seleniuro de bismuto si se lo expusiese al aire y algunos \u00e1tomos de ox\u00edgeno se alojasen en el cristal. La simulaci\u00f3n de los investigadores demostr\u00f3 que, a diferencia de materiales tales como el silicio, en el cual la oxidaci\u00f3n puede arruinar completamente sus propiedades electr\u00f3nicas, el seleniuro de bismuto permanece como aislante topol\u00f3gico en presencia de ox\u00edgeno. La oxidaci\u00f3n solamente aumenta ligeramente la energ\u00eda de los estados conductores, un efecto que podr\u00eda aprovecharse para controlar dichos estados en futuras aplicaciones tecnol\u00f3gicas.<\/p>\n

En tanto, en un estudio publicado en diciembre de 2011 en la revista Physical Review B<\/em>, el tr\u00edo de f\u00edsicos te\u00f3ricos simul\u00f3 la inserci\u00f3n de \u00e1tomos de cobalto en el seleniuro de bismuto. Al contrario que en el caso del ox\u00edgeno, las propiedades magn\u00e9ticas del cobalto hacen que este \u00e1tomo interfiera en la interacci\u00f3n esp\u00edn-\u00f3rbita, destruyendo la \u201cprotecci\u00f3n\u201d de los estados conductores de superficie contra las impurezas y defectos del cristal. No obstante, los \u00e1tomos de cobalto generan a su alrededor un nuevo patr\u00f3n 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 esp\u00edn perpendiculares podr\u00edan emplearse para codificar memorias magn\u00e9ticas en futuros dispositivos en escala at\u00f3mica.<\/p>\n

La b\u00fasqueda del ideal
\n<\/strong>Con todo, para plasmar todas estas aplicaciones tecnol\u00f3gicas a\u00fan habr\u00e1 que sortear diversos obst\u00e1culos. El principal de \u00e9stos indica que, en efecto, las muestras de seleniuro de bismuto y de otro material prometedor, el teluro de bismuto (Bi2<\/sub>Te3<\/sub>), analizadas hasta ahora, se comportaron como aislantes topol\u00f3gicos s\u00f3lo aproximadamente. Inevitables impurezas hacen que su interior conduzca poca electricidad. Esta corriente residual puede interferir en la corriente de esp\u00edn ordenado en la superficie. \u201cLa obtenci\u00f3n de estados de superficie completamente limpios es fundamental para lograr una aplicaci\u00f3n tecnol\u00f3gica de estos materiales\u201d, explica Carvalho.<\/p>\n

El grupo de investigadores de la UFMG tuvo suerte. Cuando el inter\u00e9s en los aislantes topol\u00f3gicos hizo eclosi\u00f3n, Carvalho y sus colegas ya ten\u00edan listas las muestras de Bi2<\/sub>Te3<\/sub> y Bi2<\/sub>Se3<\/sub> que hab\u00edan producido para un trabajo anterior, cuando estudiaron las propiedades termoel\u00e9ctricas de esos materiales.<\/p>\n

Un estudio realizado en colaboraci\u00f3n con el grupo del f\u00edsico Philip Hofmann, de la Universidad de Aarhus, Dinamarca, y presentado en agosto de 2011 en la D\u00e9cima Conferencia Internacional de Estructuras de Superficie en Hong Kong, demostr\u00f3 que las muestras ten\u00edan la calidad necesaria como para estudiar las propiedades de los aislantes topol\u00f3gicos.<\/p>\n

Durante ese lapso, Carvalho, Edmar Soares y los estudiantes Diogo Reis y Wendell Sim\u00f5es fueron los primeros que emplearon en un laboratorio brasile\u00f1o la t\u00e9cnica conocida como Arpes, sigla en ingl\u00e9s para espectroscop\u00eda de fotoelectrones con resoluci\u00f3n angular. Al aplicar esta t\u00e9cnica, part\u00edculas de luz emitidas por una l\u00e1mpara especial colisionan con una muestra mantenida en un ambiente de ultra alto vac\u00edo y arrancan sus electrones. Un espectr\u00f3metro de alta resoluci\u00f3n mide entonces las propiedades de dichos electrones, permitiendo deducir su estado en el material. Por medio de la t\u00e9cnica Arpes, se confirm\u00f3 la existencia de los aislantes topol\u00f3gicos.<\/p>\n

\"\"

Ali Yazdani \/ Universidade Princeton \/ Science Photo Library \/ Latinstock<\/span>Los electrones se propagan en la superficie que tiene defectos de aislante topol\u00f3gicoAli Yazdani \/ Universidade Princeton \/ Science Photo Library \/ Latinstock<\/span><\/p><\/div>\n

Los investigadores de Minas Gerais dominan otra t\u00e9cnica: la difracci\u00f3n de electrones de baja energ\u00eda (Leed), con la cual logran determinar la estructura at\u00f3mica en la superficie de las muestras. Pretenden asociar la Leed y la Arpes para investigar la influencia de la posici\u00f3n de los \u00e1tomos en los estados electr\u00f3nicos del material.<\/p>\n

Otro experimento prometedor que el grupo ha llevado adelante es la deposici\u00f3n de capas ultradelgadas de otros \u00e1tomos (antimonio, cobre, esta\u00f1o o manganeso) sobre los cristales de Bi2<\/sub>Te3<\/sub> y Bi2<\/sub>Se3<\/sub>. Investigaciones recientes demostraron que la presencia de estas pel\u00edculas met\u00e1licas ultradelgadas disminuye la densidad de electrones que son conducidos por el interior del material. \u201cLa esperanza\u201d, explica Carvalho, \u201creside en que, en la medida en que controlemos la presencia de estos filmes, obtengamos un aislante topol\u00f3gico verdadero.\u201d<\/p>\n

El Proyecto<\/strong>
\nSimulacion y modelado de nanoestructuras e materiales complejos (n\u00b0 2005\/59581-6<\/a>);\u00a0Modalidad\u00a0<\/strong>Projeto Tem\u00e1tico; Coordinador <\/strong>Adalberto Fazzio \u2013 IF\/USP;\u00a0Invesi\u00f3n\u00a0<\/strong>R$ 607.550,62 (FAPESP)<\/p>\n

Art\u00edculo cient\u00edfico<\/em>
\nSCHMIDT, T.M.; et al<\/em>. Spin texture and magnetic anisotropy of Co impurities in Bi2<\/sub>Se3<\/sub> topological insulators<\/a>. Physical Review B.<\/strong> v. 84. 13 de dez. 2011.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"Brasile\u00f1os comienzan a investigar un nuevo material prometedor","protected":false},"author":14,"featured_media":0,"comment_status":"open","ping_status":"open","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"_acf_changed":false,"_exactmetrics_skip_tracking":false,"_exactmetrics_sitenote_active":false,"_exactmetrics_sitenote_note":"","_exactmetrics_sitenote_category":0,"footnotes":""},"categories":[181],"tags":[304],"coauthors":[103],"class_list":["post-4409","post","type-post","status-publish","format-standard","hentry","category-ciencia-es","tag-fisica-es"],"acf":[],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/4409","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/users\/14"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=4409"}],"version-history":[{"count":0,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/4409\/revisions"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=4409"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=4409"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=4409"},{"taxonomy":"author","embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/coauthors?post=4409"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}