23.09.2021 - Universität Bielefeld

Diminutas nanopartículas mejoran el transporte de cargas

"El diseño especial de nuestros materiales nos ha permitido descubrir propiedades que conocemos por la teoría pero que antes no podíamos ver"

Los aislantes topológicos tridimensionales son materiales que pueden conducir la corriente eléctrica sin resistencia, pero sólo en su superficie. Sin embargo, este efecto es difícil de medir. Esto se debe a que estos materiales suelen tener poca superficie en relación con su volumen, lo que significa que sus propiedades de transporte están dominadas por los portadores de carga en masa. Ahora, los físicos de la Universidad de Bielefeld han conseguido desarrollar aislantes topológicos basados en minúsculas nanopartículas y han podido demostrar así el transporte de carga en la superficie. El estudio se ha realizado en colaboración con investigadores de la Universidad de Duisburg-Essen y del Instituto Leibniz de Investigación del Estado Sólido y los Materiales de Dresde.

Los aislantes topológicos tienen propiedades que sólo pueden describirse mediante la física cuántica. La particularidad de estos materiales cuánticos es que su masa no conduce la electricidad en absoluto o lo hace de forma muy deficiente, mientras que los portadores de carga pueden moverse sin interferencias en canales de transporte protegidos en su superficie. El compuesto teluro de bismuto es un material con estos canales de transporte protegidos.

Sin embargo, las muestras macroscópicas de estos aislantes topológicos tridimensionales tienen un volumen muy elevado en comparación con su superficie. Como resultado, hay muchos más portadores de carga a granel, lo que significa que su escaso transporte de carga domina sobre el transporte de carga en la superficie", dice el profesor Dr. Gabi Schierning, del grupo de investigación de Películas Finas y Física de Nanoestructuras de la Universidad de Bielefeld. Aunque las propiedades especiales de transporte de los aislantes topológicos tridimensionales se predicen en teoría, es difícil examinarlas en los experimentos".

Para evitar este problema, los científicos utilizan nanopartículas. Las nanopartículas son diminutas: un nanómetro es la millonésima parte de un milímetro. Al ser tan pequeñas, tienen una gran superficie en relación con su volumen. Schierning y sus colegas han comprimido nanopartículas de telururo de bismuto en bolitas de cinco milímetros de ancho y 0,5 milímetros de grosor, y han producido un aislante topológico tridimensional formado por nano unidades.

Muestras de material macroscópico con numerosas interfaces

'Con este truco, conseguimos crear muestras de material macroscópico con un elevado número de interfaces y superficies. Nuestro estudio demuestra que se pueden examinar los portadores de carga protegidos en estas superficies y que la corriente eléctrica se conduce muy bien en ellas", afirma Sepideh Izadi, estudiante de doctorado del grupo de investigación de Schierning y autora principal del estudio. Schierning añade: "El diseño especial de nuestro material nos ha permitido descubrir propiedades que conocemos por la teoría, pero que antes no podíamos ver. Eso es lo que hace que el trabajo sea tan especial para mí".

El estudio se realizó en estrecha colaboración con científicos de la Universidad de Duisburg-Essen y el Instituto Leibniz de Investigación del Estado Sólido y los Materiales de Dresde. En primer lugar, las muestras de material se prepararon en el grupo de investigación del profesor Dr. Stephan Schulz de la Universidad de Duisburgo-Essen. Esto requirió mucho trabajo: las nanopartículas tienen que tener superficies muy limpias, por ejemplo, y no reaccionar con el entorno. También hay que juntarlas para que se peguen unas a otras, como si se tratara de construir un castillo de arena, pero al mismo tiempo no hay que compactarlas tanto que se pierdan los canales de transporte protegidos en las interfaces", explica Schierning.

Los investigadores utilizaron entonces varios métodos para investigar el transporte de cargas en las interfaces y superficies. Junto con sus colegas del Instituto Leibniz de Investigación del Estado Sólido y de los Materiales de Dresde, por ejemplo, los científicos de Bielefeld midieron la capacidad de la muestra de material para conducir la corriente en diferentes condiciones, como a distintas temperaturas o con diferentes campos magnéticos. Los resultados son una clara indicación de los mecanismos de transporte de un aislante topológico tridimensional", afirma Schierning.

Las investigaciones se completaron con la espectroscopia de terahercios, de la que se encargó el equipo de investigación del Dr. Martin Mittendorff, de la Universidad de Duisburgo-Essen. En este proceso, la muestra se excita con ondas electromagnéticas en el rango de los terahercios y se mide la radiación reflejada. También en este caso se observaron fenómenos especiales que sólo se dan en los aislantes topológicos tridimensionales, e incluso a temperaturas tan bajas como unos 70 grados centígrados bajo cero, temperaturas bastante altas para un efecto de este tipo.

Un gran paso en la investigación fundamental

Nuestro estudio demuestra que los aislantes topológicos tridimensionales pueden realizarse a escala macroscópica y mostrar sus propiedades a temperaturas comparativamente altas. Se trata de un paso importante en la investigación fundamental, que también podría ser importante para posibles aplicaciones, pero aún estamos muy lejos de ello", afirma Schierning. Los aislantes topológicos tridimensionales podrían utilizarse, por ejemplo, en los ordenadores cuánticos.

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