Como los teléfonos inteligentes se vuelven más inteligentes y las computadoras calculan más rápido, los investigadores buscan activamente más formas de acelerar el procesamiento de información.
Actualmente, los científicos de la Universidad de Princeton han dado un paso adelante en el desarrollo de una nueva clase de materiales que podrían ser utilizados en las tecnologías del futuro.
Han descubierto un nuevo efecto cuántico que permite que los electrones, partículas que llevan la carga negativa en los dispositivos electrónicos de hoy en día puedan lanzarse hacia el interior de estos materiales con muy poca resistencia.
Este descubrimiento es el último capítulo de la historia de un curioso material conocido como "aislante topológico", en el que los electrones pasan a toda velocidad por la superficie sin penetrar en el interior. La investigación más reciente indica que, estos electrones, también pueden fluir por el interior de algunos de estos materiales.
"Con este descubrimiento, en lugar de enfrentar el desafío de cómo utilizar solamente los electrones en la superficie de un material, ahora podemos, simplemente, cortar el material abierto y tener electrones que como la luz fluyen en tres dimensiones dentro de estos materiales", explicaba M. Zahid Hasan, profesor de física en Princeton, que ha liderado este descubrimiento.
El hallazgo fue realizado por un equipo de científicos de Estados Unidos , Taiwán, Singapur, Alemania y Suecia, y publicado en dos sendos artículos en la revista Nature Communications. El primero de ellos, publicado el 7 de mayo, demuestra que los electrones rápidos pueden fluir en el interior de los cristales hechos de cadmio y arsénico, o arseniuro de cadmio. El segundo, publicado el día 12, explora electrones rápidos en un material hecho de elementos de bismuto y selenio.
En la mayoría de materiales, como el cobre y otros metales que conducen la electricidad, los electrones navegan en una carrera de obstáculos llena de afloramientos microscópicos, sobresalientes y otras imperfecciones que obstruyen a las pequeñas partículas y las dispersa en direcciones equivocadas. Esto origina una resistencia y convierte la corriente eléctrica en calor, por lo que los aparatos electrónicos se calientan durante el uso.
En los aislantes topológicos y la nueva clase de materiales que investigan en Princeton, las propiedades únicas de los átomos se combinan para crear los efectos cuánticos que dirigen los electrones en una acción similar a una onda de luz, en lugar de como partículas individuales. Estas ondas pueden entrelazarse alrededor y esquivar –incluso moverse a su través– las barreras que normalmente detienen a la mayoría de los electrones. Estas propiedades fueron propuestas teóricamente por Charles Kane y su equipo en la Universidad de Pensilvania entre 2005 y 2007, y fueron observadas por primera vez, de forma experimental en materiales sólidos, por el grupo de Hasan en 2007 y 2008.
En 2011, el grupo Hasan detectó este rápido flujo de electrones en el interior de un material hecho de una combinación de diversos elementos, el bismuto, talio, azufre y el selenio. Los resultados fueron publicados en la revista Science.
En el nuevo estudio con arseniuro de cadmio, los electrones tienen una velocidad media 10.000 veces superior a la de los anteriores materiales basados en el bismuto identificados por el grupo. "Esto es grande", dijo Hasan. "Significa que los electrones pueden fluir fácilmente por el material y muchos de los efectos cuánticos más exóticos pueden ahora ser estudiados. Esto no era posible en el pasado."
La más prometedora aplicación de estos materiales puede proponer una "computadora cuántica topológica", basada en nuevos productos electrónicos que utilizarían una propiedad de los electrones conocida como "espín" para hacer cálculos y transmitir información.
Al comportamiento cuántico de esta nueva clase de materiales se le ha dado por llamar "semi-metales topológicos Dirac", en referencia al físico cuántico inglés y ganador del Premio Nobel en 1933, Paul Dirac, quien observó que los electrones pueden comportarse como la luz. Los semi-metales "topológicos" son aquellos que conservan sus propiedades electrónicas espaciales, y sus rápidos electrones, incluso cuando se ven deformados por ciertos tipos de estiramientos y torsiones.
Las velocidades alcanzadas por estos electrones han conducido a ineludibles comparaciones con otro novedoso material electrónico, el grafeno. Esta nueva clase de materiales tiene potencial para ser superior al grafeno en algunos aspectos, apuntó Hasan, porque el grafeno tiene una sola capa de átomos por donde los electrones pueden fluir sólo en dos dimensiones. El arseniuro de cadmio permite que los electrones fluyan en tres dimensiones. El nuevo estudio redefine lo que significa ser un material topológico, de acuerdo con Su-Yang Xu, un estudiante graduado en el laboratorio de Hasan, y co-primer autor del artículo de 7 de mayo, junto al investigador asociado postdoctoral, Madhab Neupane, de la Univ. de Princeton, y Raman Sankar, de Universidad Nacional de Taiwán.
"El término aislante topológico es ahora muy conocido, y lo de "aislante" significa que no hay electrones fluyendo en la mayor parte del material", explicó Xu. Sin embargo, "nuestro estudio demuestra que los electrones fluyen en la mayor parte del material, por lo que claramente el arseniuro de cadmio no es un aislante, aunque sigue siendo de naturaleza topológica, por lo que este es un tipo totalmente nuevo de materia cuántica.”
El equipo hizo este descubrimiento usando una técnica llamada espectroscopia de fotoemisión de ángulo resuelto. Los investigadores hicieron brillar un potente haz de rayos X, usando el acelerador de partículas del Advanced Light Source en el Lawrence Berkeley National Laboratory, sobre una superficie del material, entonces monitorizaron los electrones conforme iban siendo eliminados del interior.
"Cuando el electrón sale, medimos su energía y velocidad, y lo que hallamos es que los electrones que salen del arseniuro de cadmio tenían mediciones similares a las que se observan en las partículas que tienen masa", señaló Neupane .
En el segundo artículo, en la revista Nature Communications, Neupane y los co-autores, presentaron un modelo para controlar la dirección del espín de los electrones en un material diferente, el seleniuro de bismuto.
"El grupo de Princeton mostraba con exquisitos detalles que los electrones en ciertos sólidos obedecen a la ecuación tridimensional sin masa de Dirac", dijo Patrick Lee, profesor de física en el Instituto de Tecnología de Massachusetts, que no participó en el trabajo.
"Con este descubrimiento, en lugar de enfrentar el desafío de cómo utilizar solamente los electrones en la superficie de un material, ahora podemos, simplemente, cortar el material abierto y tener electrones que como la luz fluyen en tres dimensiones dentro de estos materiales", explicaba M. Zahid Hasan, profesor de física en Princeton, que ha liderado este descubrimiento.
El hallazgo fue realizado por un equipo de científicos de Estados Unidos , Taiwán, Singapur, Alemania y Suecia, y publicado en dos sendos artículos en la revista Nature Communications. El primero de ellos, publicado el 7 de mayo, demuestra que los electrones rápidos pueden fluir en el interior de los cristales hechos de cadmio y arsénico, o arseniuro de cadmio. El segundo, publicado el día 12, explora electrones rápidos en un material hecho de elementos de bismuto y selenio.
En la mayoría de materiales, como el cobre y otros metales que conducen la electricidad, los electrones navegan en una carrera de obstáculos llena de afloramientos microscópicos, sobresalientes y otras imperfecciones que obstruyen a las pequeñas partículas y las dispersa en direcciones equivocadas. Esto origina una resistencia y convierte la corriente eléctrica en calor, por lo que los aparatos electrónicos se calientan durante el uso.
En los aislantes topológicos y la nueva clase de materiales que investigan en Princeton, las propiedades únicas de los átomos se combinan para crear los efectos cuánticos que dirigen los electrones en una acción similar a una onda de luz, en lugar de como partículas individuales. Estas ondas pueden entrelazarse alrededor y esquivar –incluso moverse a su través– las barreras que normalmente detienen a la mayoría de los electrones. Estas propiedades fueron propuestas teóricamente por Charles Kane y su equipo en la Universidad de Pensilvania entre 2005 y 2007, y fueron observadas por primera vez, de forma experimental en materiales sólidos, por el grupo de Hasan en 2007 y 2008.
En 2011, el grupo Hasan detectó este rápido flujo de electrones en el interior de un material hecho de una combinación de diversos elementos, el bismuto, talio, azufre y el selenio. Los resultados fueron publicados en la revista Science.
En el nuevo estudio con arseniuro de cadmio, los electrones tienen una velocidad media 10.000 veces superior a la de los anteriores materiales basados en el bismuto identificados por el grupo. "Esto es grande", dijo Hasan. "Significa que los electrones pueden fluir fácilmente por el material y muchos de los efectos cuánticos más exóticos pueden ahora ser estudiados. Esto no era posible en el pasado."
La más prometedora aplicación de estos materiales puede proponer una "computadora cuántica topológica", basada en nuevos productos electrónicos que utilizarían una propiedad de los electrones conocida como "espín" para hacer cálculos y transmitir información.
Al comportamiento cuántico de esta nueva clase de materiales se le ha dado por llamar "semi-metales topológicos Dirac", en referencia al físico cuántico inglés y ganador del Premio Nobel en 1933, Paul Dirac, quien observó que los electrones pueden comportarse como la luz. Los semi-metales "topológicos" son aquellos que conservan sus propiedades electrónicas espaciales, y sus rápidos electrones, incluso cuando se ven deformados por ciertos tipos de estiramientos y torsiones.
Las velocidades alcanzadas por estos electrones han conducido a ineludibles comparaciones con otro novedoso material electrónico, el grafeno. Esta nueva clase de materiales tiene potencial para ser superior al grafeno en algunos aspectos, apuntó Hasan, porque el grafeno tiene una sola capa de átomos por donde los electrones pueden fluir sólo en dos dimensiones. El arseniuro de cadmio permite que los electrones fluyan en tres dimensiones. El nuevo estudio redefine lo que significa ser un material topológico, de acuerdo con Su-Yang Xu, un estudiante graduado en el laboratorio de Hasan, y co-primer autor del artículo de 7 de mayo, junto al investigador asociado postdoctoral, Madhab Neupane, de la Univ. de Princeton, y Raman Sankar, de Universidad Nacional de Taiwán.
"El término aislante topológico es ahora muy conocido, y lo de "aislante" significa que no hay electrones fluyendo en la mayor parte del material", explicó Xu. Sin embargo, "nuestro estudio demuestra que los electrones fluyen en la mayor parte del material, por lo que claramente el arseniuro de cadmio no es un aislante, aunque sigue siendo de naturaleza topológica, por lo que este es un tipo totalmente nuevo de materia cuántica.”
El equipo hizo este descubrimiento usando una técnica llamada espectroscopia de fotoemisión de ángulo resuelto. Los investigadores hicieron brillar un potente haz de rayos X, usando el acelerador de partículas del Advanced Light Source en el Lawrence Berkeley National Laboratory, sobre una superficie del material, entonces monitorizaron los electrones conforme iban siendo eliminados del interior.
"Cuando el electrón sale, medimos su energía y velocidad, y lo que hallamos es que los electrones que salen del arseniuro de cadmio tenían mediciones similares a las que se observan en las partículas que tienen masa", señaló Neupane .
En el segundo artículo, en la revista Nature Communications, Neupane y los co-autores, presentaron un modelo para controlar la dirección del espín de los electrones en un material diferente, el seleniuro de bismuto.
"El grupo de Princeton mostraba con exquisitos detalles que los electrones en ciertos sólidos obedecen a la ecuación tridimensional sin masa de Dirac", dijo Patrick Lee, profesor de física en el Instituto de Tecnología de Massachusetts, que no participó en el trabajo.
"Si bien fue ya predicho por cálculos teóricos, este comportamiento nunca había sido visto antes en materiales reales hasta el año pasado.
Este trabajo se suma en gran medida a esa excitante marcha hacia cómo la topología puede afectar los estados electrónicos en los materiales reales."
- Fuente: Universidad de Princeton .
- Imagen y artículo relacionado: Research: Topological Insulators .
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