27.12.2021 - Technische Universität München

Nuevos materiales para las tecnologías cuánticas

Sólidos con simetrías especiales para aplicaciones cuánticas y espintrónicas

Mientras que la electrónica convencional se basa en el transporte de electrones, los componentes que sólo transmiten información de espín pueden ser mucho más eficientes energéticamente. Físicos de la Universidad Técnica de Múnich (TUM) y del Instituto Max Planck de Investigación del Estado Sólido de Stuttgart han logrado un importante avance en el desarrollo de nuevos materiales para estos componentes. Estos materiales pueden ser también la clave de los ordenadores cuánticos menos susceptibles de sufrir interferencias.

Las esperanzas se dispararon cuando hace unos 15 años se descubrieron los primeros representantes de una nueva clase de materiales, los aislantes topológicos. Los investigadores preveían que la singular estructura electrónica de estos materiales daría lugar a propiedades especiales en su superficie, como la transmisión de información con eficiencia energética, lo que podría facilitar el desarrollo de novedosos componentes electrónicos en una amplia gama de aplicaciones.

Pero hasta la fecha, estas posibilidades no podían modificarse ni controlarse fácilmente en las aplicaciones. A pesar de los mayores esfuerzos, la explotación tecnológica ha tardado en llegar. Esto puede estar a punto de cambiar gracias al descubrimiento realizado por un equipo dirigido por Christian Pfleiderer, catedrático de Topología de Sistemas Correlacionados de la Universidad Técnica de Múnich.

La búsqueda de cruces

En los átomos, los electrones ocupan los distintos orbitales atómicos hasta una energía máxima. Cada orbital corresponde a un nivel de energía fijo. En los sólidos, los orbitales atómicos se solapan y los niveles de energía dependen de la dirección del movimiento y de la longitud de onda de los electrones. Los niveles de energía para diferentes direcciones de movimiento y longitudes de onda varían dentro de un rango característico denominado banda de energía.

Mientras que los niveles de energía de los orbitales de un átomo aumentan en un orden específico, en los sólidos el orden de los niveles de energía, que provienen de diferentes orbitales atómicos, también puede invertirse dependiendo de la dirección del movimiento y la longitud de onda de los electrones.

Así, la orientación de los niveles de energía originalmente asociados a diferentes orbitales puede cruzarse para determinadas direcciones de movimiento y longitudes de onda. En otras palabras, las energías de los diferentes orbitales son idénticas donde se cruzan. Son especialmente interesantes los materiales en los que estos cruces aparecen en el nivel de los electrones responsables de la conductividad. Los físicos denominan a este nivel la energía de Fermi.

El descubrimiento de los materiales topológicos

Los cruces entre las bandas de energía de los materiales reales se conocen desde la década de 1930. Sin embargo, salvo en casos muy raros, se anulan por la repulsión mutua de los electrones. Este efecto da lugar a vacíos en las bandas de energía precisamente en los cruces esperados. Como todos los ejemplos conocidos de cruces en la estructura de bandas se producían lejos de la energía de Fermi, se consideraban una mera curiosidad trivial.

Todo esto cambió con el descubrimiento de los aislantes topológicos en los que la estructura electrónica de la superficie del material produce cruces exactamente en la energía de Fermi. Otras observaciones revelaron que estos cruces son especialmente estables debido al carácter único de la función de onda mecánica cuántica de los electrones, que impide la cancelación por repulsión de los mismos.

Transferencia de información sin pérdida de energía

El hecho de que los cruces de las superficies de los aislantes topológicos estén siempre en el nivel de Fermi da lugar a propiedades especiales de la conductividad eléctrica, que permiten transferir cargas eléctricas e información de espín sin pérdida de energía. Sin embargo, pronto se puso de manifiesto que los aislantes topológicos son muy sensibles a las impurezas del material, que cortocircuitan efectivamente las propiedades de la superficie e impiden implementaciones tecnológicas útiles.

Sin embargo, el descubrimiento de los aislantes topológicos desencadenó una búsqueda intensiva y sistemática que acabó descubriendo muchos materiales a granel con cruces topológicos entre las bandas de energía del interior de los materiales. Algunos ejemplos son los metales de Weyl, los metales de Dirac y los aislantes de Chern, entre muchos otros. Los científicos esperan que los cruces en el interior de estos materiales se traduzcan en propiedades especiales en la superficie que sean susceptibles de explotación tecnológica.

Por desgracia, los investigadores no han podido predecir si los cruces topológicos en ninguno de los materiales conocidos se encuentran exactamente en el nivel de Fermi. Esto se debe a que los cruces conocidos hasta ahora sólo se producen en puntos discretos o a lo largo de líneas específicas, lo que significa que coinciden con el nivel de Fermi por mera casualidad.

Pero este último punto es crucial para la explotación técnica. Además, poder activar y desactivar los puntos de cruce por medios sencillos en las aplicaciones parecía completamente inalcanzable.

Conmutable mediante un campo magnético

Los científicos encabezados por el Dr. Marc Wilde en el equipo del Prof. Pfleiderer han demostrado ahora que existen materiales con planos por los que las bandas siempre pasan de dos en dos. Estos se conocen como planos nodales y facilitan la localización de los cruces en el nivel de Fermi. Siempre se encuentran exactamente donde los bordes de la banda de conducción pasan por dicho plano. Uno de los primeros ejemplos son los monocristales de manganeso-silicio.

Junto con el Dr. Andreas Schnyder, del Instituto Max Planck para la Investigación del Estado Sólido de Stuttgart, el equipo de investigación logró dilucidar los fundamentos teóricos de este comportamiento.

"Un requisito esencial es la presencia de las llamadas simetrías 'no simmórficas'. En el silicio de manganeso, se trata de una torsión en la disposición de los átomos", dice Andreas Schnyder. "Pero eso no es todo", dice Marc Wilde, "también pudimos demostrar que la magnetización en este tipo de materiales puede anular las simetrías cruciales y, por tanto, los planos nodales. La dirección de la magnetización es efectivamente como un par de tijeras que podemos utilizar para cortar la banda de Möbius".

A partir de esta idea, Andreas Schnyder y sus colegas de Stuttgart realizaron un análisis exhaustivo de todas las clases de estructuras cristalinas conocidas para identificar las que tienen las mismas propiedades. Esta es ahora la base para futuras búsquedas específicas de materiales comparables.

Propiedades inusuales, beneficios significativos

"Utilizando el silicio de manganeso como ejemplo, junto con los principios teóricos recientemente desarrollados, ahora podemos seleccionar y optimizar los materiales en un esfuerzo concertado", afirma Christian Pfleiderer. "Estos nuevos materiales podrían permitir no sólo dispositivos electrónicos mucho más eficientes desde el punto de vista energético, sino también aplicaciones absolutamente novedosas en las que utilicemos campos magnéticos externos para controlar los efectos de la magnetización en los planos nodales".

"De este modo", espera Pfleiderer, "estos materiales podrían incluso facilitar la computación cuántica topológica en el futuro". Debido a las características de los puntos de cruce, los QBits correspondientes serían mucho menos sensibles a las interferencias." Los ordenadores cuánticos construidos sobre esta base podrían incluso librarse del requisito de funcionar a temperaturas cercanas al cero absoluto.

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

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