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Los materiales del futuro se hacen 'topológicos'

01/07/2017

Una delgadísima capa de wolframio y telurio ha resultado ser un exótico tipo de material bautizado por los físicos como 'aislante topológico'. La revista Nature Physics ha publicado los resultados de este estudio en el que ha participado nanoGUNE. Las propiedades físicas de este material de dos dimensiones hacen que tenga un futuro prometedor en el emergente campo de la espintrónica.

El investigador de CIC nanoGUNE Miguel M. Ugeda, del grupo Nanoimagen, ha participado en un estudio internacional, junto con investigadores de la Universidad de Stanford y de la Universidad de California en Berkeley, en el que han demostrado experimentalmente el efecto llamado "Hall cuántico de spin" en un material bidimensional. Los materiales que presentan este fenómeno se denominan “aislantes topológicos” y, desde que fueron predichos teóricamente en 2005, solo se han encontrado en la naturaleza unos pocos ejemplos en dos dimensiones, y ninguno de ellos de utilidad práctica. La revista científica Nature Physics, de reconocido prestigio internacional, se ha hecho eco de los resultados obtenidos en esta investigación.

Ugeda ve un futuro prometedor a este tipo de materiales en espintrónica, una rama incipiente de la electrónica cuyo objetivo es la manipulación y control del espín del electrón como portador de información. La ventaja de aprovechar el espín del electrón, que es una propiedad intrínseca del mismo, se refleja en el aumento de la información transmitida ya que, a diferencia de su carga electrónica, el espín puede tomar dos valores opuestos, “up” y “down”. Los dispositivos espintrónicos podrían transportar mayor cantidad de datos de manera mucho más fluida, con una menor demanda de potencia y menor acumulación de calor.

El material investigado está compuesto de wolframio y telurio. El wolframio es un elemento químico descubierto en 1783 por los hermanos Elhuyar en Bergara (Gipuzkoa); un metal utilizado para muchísimas aplicaciones, desde los filamentos de las lámparas eléctricas a las puntas de bolígrafos. Combinando átomos de este metal con átomos de telurio en tan solo tres capas atómicas, han encontrado el primer material aislado bidimensional con propiedades topológicas, es decir, aislante eléctrico en el interior y conductor en sus bordes. “El flujo de electrones en los bordes en este tipo de material resulta estar ligado al espín (“up” y “down”) de cada electrón; sorprendentemente los electrones de espín opuesto se mueven en sentido contrario a lo largo de los bordes. Por tanto, se pueden generar corrientes con un spin definido en una dirección o en otra. Los canales o carriles del borde del material se pueden imaginar como una carretera de doble sentido en la que los electrones “up” van en una dirección y los “down” en la otra. Y no puede ser de otra manera”, explica Miguel M. Ugeda.

Por otra parte, cabe destacar que debido a las propiedades topológicas de este material la corriente eléctrica debería ser insensible a la contaminación e impurezas que pueda haber en el material, algo que distingue a los aislantes topológicos de materiales conductores convencionales. Otra ventaja añadida es que el material en cuestión “es estable químicamente y realmente sencillo de sintetizar. Además se puede combinar con otros materiales bidimensionales a modo sándwich para diseñar materiales artificiales con propiedades “a la carta” para cualquier aplicación específica”, añade el investigador.

Más información: 

S. Tang, C. Zhang, D. Wong, Z. Pedramrazi, H.-Z. Tsai, C. Jia, B. Moritz, M. Claassen, H. Ryu, S. Kahn, J. Jiang, H. Yan, M. Hashimoto, D. Lu, R. G. Moore, C.-C. Hwang, C. Hwang, Z. Hussain, Y. Chen, M. M. Ugeda, Z. Liu, X. Xie, T. P. Devereaux, M. F. Crommie, S.-K. Mo, and Z.-X. Shen
Quantum spin Hall state in monolayer 1T’-WTe2
Nature Physics, 13, 683-687 (2017). DOI: 10.1038/NPHYS4174

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