Negli ultimi anni, gli isolanti topologici sono diventati uno degli argomenti più scottanti della fisica. Questi nuovi materiali fungono sia da isolanti che da conduttori, con il loro interno impedendo il flusso di correnti elettriche mentre i loro bordi o superfici consentono il movimento di una carica.
Forse la cosa più importante, le superfici degli isolanti topologici consentono il trasporto di elettroni spin-polarizzati prevenendo la "scattering" tipicamente associata al consumo di energia, in cui gli elettroni deviano dalla loro traiettoria, con conseguente dissipazione.
A causa di tali caratteristiche, questi materiali hanno un grande potenziale per l'uso nei futuri transistor, dispositivi di memoria e sensori magnetici ad alta efficienza energetica e che richiedono meno energia.
In uno studio pubblicato oggi in Nanotecnologia della natura , i ricercatori della Henry Samueli School of Engineering and Applied Science dell'UCLA e della divisione dei materiali dell'Università australiana del Queensland mostrano la promessa di canali di conduzione superficiale in nanonastri isolanti topologici fatti di tellururo di bismuto e dimostrano che gli stati superficiali in questi nanonastri sono "sintonizzabili" - in grado di essere acceso e spento a seconda della posizione del livello di Fermi.
"La nostra scoperta consente una varietà di opportunità nella costruzione di potenziali di nuova generazione, dispositivi nanoelettronici e spintronici a bassa dissipazione, dal rilevamento magnetico all'archiviazione, " ha detto Kang L. Wang, il Raytheon Professor di Ingegneria Elettrica presso la UCLA Engineering, il cui team ha svolto la ricerca.
Il tellururo di bismuto è ben noto come materiale termoelettrico ed è stato anche previsto che sia un isolante topologico tridimensionale con stati di superficie robusti e unici. Recenti esperimenti con materiali sfusi di tellururo di bismuto hanno anche suggerito canali di conduzione bidimensionali provenienti dagli stati superficiali. Ma è stata una grande sfida modificare la conduzione superficiale, a causa del contributo di massa dominante dovuto alle impurità e alle eccitazioni termiche in tali semiconduttori a banda proibita ridotta.
Lo sviluppo di nanonastri isolanti topologici ha aiutato. Con i loro grandi rapporti superficie-volume, questi nanonastri migliorano significativamente le condizioni della superficie e consentono la manipolazione della superficie con mezzi esterni.
Wang e il suo team hanno utilizzato sottili nanonastri di tellururo di bismuto come canali conduttori nelle strutture di transistor ad effetto di campo. Questi si basano su un campo elettrico per controllare il livello di Fermi e quindi la conduttività di un canale. I ricercatori sono stati in grado di dimostrare per la prima volta la possibilità di controllare gli stati superficiali nelle nanostrutture isolanti topologiche.
"Abbiamo dimostrato una chiara conduzione superficiale rimuovendo parzialmente la conduzione di massa utilizzando un campo elettrico esterno, " disse Faxian Xiu, un ricercatore associato dello staff dell'UCLA e autore principale dello studio. "Regolando correttamente la tensione di gate, è stata ottenuta una conduzione superficiale molto elevata, fino al 51 per cento, che rappresenta i valori più alti negli isolanti topologici."
"Questa ricerca è molto entusiasmante per la possibilità di costruire nanodispositivi con un nuovo principio di funzionamento, " ha detto Wang, che è anche direttore associato del California NanoSystems Institute (CNSI) presso l'UCLA. "Molto simile allo sviluppo del grafene, gli isolanti topologici potrebbero essere trasformati in transistor ad alta velocità e sensori ad altissima sensibilità".
Le nuove scoperte fanno luce sulla controllabilità degli stati di spin superficiale nei nanonastri isolanti topologici e dimostrano progressi significativi verso condizioni elettriche ad alta superficie per applicazioni pratiche di dispositivi. Il prossimo passo per il team di Wang è produrre dispositivi ad alta velocità basati sulla loro scoperta.
"Lo scenario ideale è raggiungere il 100% di conduzione superficiale con uno stato isolante completo nella massa, " Xiu ha detto. "Sulla base del lavoro attuale, miriamo a transistor ad alte prestazioni con un consumo energetico molto inferiore rispetto alla tecnologia convenzionale dei semiconduttori a ossido di metallo complementare (CMOS) utilizzata tipicamente nell'elettronica di oggi".
Collaboratori allo studio Jin Zou, un professore di ingegneria dei materiali presso l'Università del Queensland; Yong Wang, un borsista internazionale del Queensland; e il team di Zou alla divisione dei materiali presso l'Università del Queensland ha contribuito in modo significativo a questo lavoro. Una parte della ricerca è stata condotta anche nel laboratorio di Alexandros Shailos all'UCLA.
