(PhysOrg.com) -- Gli scienziati di Stanford e SLAC hanno trovato un modo potenziale per sfruttare le straordinarie proprietà degli isolanti topologici - materiali che conducono elettricità solo lungo le loro superfici - per l'uso nell'elettronica e in altre applicazioni.

Un articolo pubblicato online questa settimana in Nanotecnologia della natura descrive come hanno combinato due isolanti topologici precedentemente noti per crearne uno nuovo che trasporta solo correnti superficiali. Hanno quindi realizzato questo materiale in estremamente sottile, minuscole placche e hanno dimostrato di poter controllare le proprietà elettroniche di queste nanopiastre utilizzando un cancello, in sostanza, un transistor che si apre e si chiude per commutare il materiale da uno stato all'altro.

“Gating è molto importante per i dispositivi elettronici, "ha detto il co-autore Yi Cui, un professore associato presso la facoltà di Stanford e SLAC, e il controllo delle proprietà di questi nuovi materiali "è davvero la base per realizzare futuri dispositivi elettronici per l'elaborazione delle informazioni".

La ricerca ha unito gli sforzi dei fisici e degli scienziati dei materiali presso SIMES, lo Stanford Institute for Materials and Energy Sciences, che è un istituto congiunto di SLAC National Accelerator Laboratory e Stanford University.

Un gruppo che lavora con il Prof. Associato di Stanford Ian Fisher ha preparato i cristalli del nuovo composto, che contiene tre elementi:bismuto, antimonio e tellurio. Un altro gruppo, sotto la direzione del capo scienziato SLAC Zhi-Xun Shen, testato varie combinazioni dei tre elementi per vedere quale aveva le migliori proprietà elettroniche, utilizzando strumenti presso l'Advanced Light Source presso il Lawrence Berkeley National Laboratory.

Hanno cercato la combinazione che permettesse alla più alta corrente di fluire sulla superficie del materiale e alla minima quantità di corrente di fluire attraverso l'interno, che è noto come materiale sfuso. Questo flusso interno interferisce con le qualità desiderabili di un isolante topologico.

Finalmente, Il gruppo di Cui ha formato il composto in nanopiastre a sei lati le cui proprietà potevano essere controllate accendendo e spegnendo una corrente elettrica separata; questa è la parte del cancello. Capovolgere l'interruttore in un modo ha fatto sì che il composto si comportasse come un materiale di tipo n, in cui l'elettricità è condotta da elettroni caricati negativamente. Girare l'interruttore dall'altra parte ha trasformato il composto in un materiale di tipo p, in cui i "buchi" caricati positivamente trasportavano la corrente. I chip elettronici di oggi contengono materiali di tipo p e n.

Questo studio è tra i primi a dimostrare chiaramente che è possibile utilizzare un gate per alternare l'intero pezzo di materiale isolante topologico tra questi due stati.

"In realtà è molto importante per qualsiasi tipo di materiale elettronico, "disse Desheng Kong, uno studente laureato del quarto anno nel laboratorio di Cui, chi è il primo autore della relazione. “Vuoi non solo capirli, ma per controllare le loro proprietà”.

Il fatto che le proprietà del materiale possano essere regolate applicando una corrente di gate significa anche che non è necessario iniziare con un materiale perfetto per ottenere buone prestazioni, ha aggiunto lo scienziato dello staff SLAC Yulin Chen, il secondo autore del rapporto. “È pulito, ” ha detto. “E, naturalmente, a lungo termine, le persone continueranno a rendere i materiali sempre migliori”.

I nuovi dispositivi sono disperatamente necessari perché l'utilità della tecnologia dei semiconduttori di oggi sta volgendo al termine, ha detto SIMES Prof. Shocheng Zhang, che non è stato coinvolto in questo studio.

Ha detto che uno dei maggiori ostacoli alla continuazione della Legge di Moore - l'idea che il numero di transistor che possono essere schiacciati su un circuito integrato raddoppierà ogni 18 mesi - è che gli elettroni che si muovono all'interno dei chip di oggi si disperdono troppo calore. “In realtà senti che quando metti il ​​tuo laptop in grembo, ” ha detto. “Non è solo fastidioso, ma un chip non funziona più, ad una certa velocità, ” quando fa troppo caldo.

"Questo è diventato un problema così fondamentale che molte persone pensano che l'unico modo per risolverlo sia cambiare l'architettura fondamentale e il principio di funzionamento del chip, "Zhang ha detto, "e questo è un parco giochi per i fisici."

Il potenziale vantaggio dell'utilizzo di isolanti topologici per trasportare correnti nei chip è che gli elettroni che viaggiano lungo la superficie sottile del materiale lo fanno con grande efficienza e generano pochissimo calore. Non è solo la sottigliezza della superficie che gioca un ruolo; è il fatto che questi elettroni esibiscono qualcosa chiamato "effetto Hall di spin quantistico, " una delle realizzazioni spettrali della meccanica quantistica. A differenza degli elettroni nei materiali convenzionali, ogni elettrone in un isolante topologico viaggia in una direzione perpendicolare al suo spin.

L'effetto netto è che gli elettroni scorrono uniformemente nella stessa direzione senza resistenza, aggirare con calma gli ostacoli, come contaminanti accidentali o difetti nel materiale, piuttosto che scontrarsi e deviare in tutte le direzioni. Come spiega Zhang, è la differenza tra una Ferrari che sfreccia in un mercato affollato e la stessa macchina che percorre un'autostrada.

L'eccitazione che circonda gli isolanti topologici non si limita alla loro potenziale utilità nei dispositivi elettronici. Potrebbero anche fornire agli scienziati informazioni su un'ampia varietà di fenomeni esotici, comprese particelle ipotetiche chiamate assioni, che potrebbe aiutare a spiegare la materia oscura, e monopoli magnetici.

Fu Zhang che, nel 2006, ha contribuito a dare il via a una folle corsa per indagare sugli isolanti topologici prevedendo che una lega di mercurio e tellurio si sarebbe comportata come un tutt'uno. Entro un anno, un gruppo in Germania ha prodotto questo composto e ha dimostrato che funzionava davvero, ma solo a temperature molto basse. Nel 2009, Chen, Shen, Fisher e i loro colleghi hanno dimostrato che il tellururo di bismuto, un prodotto più economico, materiale più abbondante e più maneggevole – è un isolante topologico a temperatura ambiente, e il campo è davvero decollato.

L'ultimo risultato è “un passo significativo, "Zhang ha detto, nello sforzo mondiale di molti gruppi di scienziati per sfruttare le proprietà di questi nuovi materiali.