Nel mondo dell'elettronica, dove la ricerca è sempre per unità più piccole e veloci con una durata della batteria infinita, gli isolanti topologici (TI) hanno un potenziale allettante.

In un articolo da pubblicare in Progressi scientifici nel mese di giugno, Jing Shi, professore di fisica e astronomia all'Università della California, lungo il fiume, e colleghi del Massachusetts Institute of Technology (MIT) e dell'Arizona State University riferiscono di aver creato un film di TI dello spessore di soli 25 atomi che aderisce a un film magnetico isolante, creando una "eterostruttura". Questa eterostruttura rende le superfici TI magnetiche a temperatura ambiente e superiori, superiore a 400 Kelvin o superiore a 720 gradi Fahrenheit.

Le superfici di TI sono spesse solo pochi atomi e richiedono poca energia per condurre l'elettricità. Se le superfici TI sono magnetiche, la corrente scorre solo lungo i bordi dei dispositivi, richiedono ancora meno energia. Grazie a questo cosiddetto effetto Hall anomalo quantistico, o QAHE, un dispositivo TI potrebbe essere piccolo e le sue batterie di lunga durata, disse Shi.

Gli ingegneri amano QAHE perché rende i dispositivi molto robusti, questo è, abbastanza cordiale da resistere a difetti o errori, in modo che un'applicazione difettosa, ad esempio, non manda in crash un intero sistema operativo.

Gli isolanti topologici sono gli unici materiali in questo momento che possono raggiungere l'ambito QAHE, ma solo dopo essere stati magnetizzati, e qui sta il problema:le superfici TI non sono naturalmente magnetiche.

Gli scienziati sono stati in grado di ottenere il magnetismo in TI drogando, cioè introdurre impurità magnetiche nel materiale, che lo rendeva anche meno stabile, disse Shi. Il doping ha permesso alle superfici TI di dimostrare QAHE, ma solo a temperature estremamente basse, pochi centesimi di grado in Kelvin sopra lo zero assoluto, o circa 459 gradi sotto zero Fahrenheit, non esattamente favorevole a un ampio uso popolare.

Molti scienziati hanno incolpato il doping per aver fatto sì che il QAHE si verificasse solo a temperature molto basse, Shi ha detto, che ha spinto i ricercatori a iniziare a cercare un'altra tecnica per rendere magnetiche le superfici TI.

Entra nel laboratorio SHINES (Spins and Heat in Nanoscale Electronic Systems) di UCR, un centro di ricerca sulla frontiera energetica finanziato dal Dipartimento dell'energia presso l'UCR che Shi guida e si concentra sullo sviluppo di film, compositi e altri modi per raccogliere o utilizzare l'energia in modo più efficiente da nano (pensa davvero in piccolo, come nella tecnologia molecolare o atomica).

Nel 2015, Il laboratorio di Shi ha creato per la prima volta eterostrutture di film magnetici e materiali di grafene dello spessore di un atomo utilizzando una tecnica chiamata epitassia a raggio molecolare laser. Gli stessi film isolanti magnetici atomicamente piatti sono fondamentali sia per il grafene che per gli isolanti topologici.

"I materiali devono essere in intimo contatto affinché TI acquisisca magnetismo, " Shi ha detto. "Se la superficie è ruvida, non ci sarà un buon contatto. Siamo bravi a rendere questa pellicola magnetica atomicamente piatta, quindi nessun atomo in più fuoriesce."

Il laboratorio di UCR ha quindi inviato i materiali ai suoi collaboratori al MIT, che ha usato l'epitassia del fascio molecolare per costruire 25 strati di TI atomici sopra i fogli magnetici, creando le eterostrutture, che sono stati poi rispediti all'UCR per la fabbricazione e le misurazioni del dispositivo.

Sono necessarie ulteriori ricerche per far sì che TI mostri l'effetto Hall anomalo quantistico (QAHE) ad alte temperature, e poi mettere a disposizione i materiali per la miniaturizzazione in elettronica, Shi ha detto, ma i risultati del laboratorio SHINES mostrano che adottando l'approccio delle eterostrutture, Le superfici TI possono essere rese magnetiche e robuste a temperature normali.

Facendo più piccolo, i dispositivi più veloci funzionano allo stesso livello o a livelli di efficienza superiori rispetto a quelli più grandi, predecessori più lenti "non accade naturalmente, " Shi ha detto. "Gli ingegneri lavorano duramente per far funzionare tutti i dispositivi allo stesso modo e ci vuole un sacco di ingegneria per arrivarci".