aislante topológico

History

En 2005, los científicos Charles Kane y Eugene Mele predijeron teóricamente que el grafeno podría ser un aislante topológico. Sin embargo, debido al débil efecto, esto no ocurrió. En 2007, Laurens Molenkamp y su grupo crearon por primera vez un aislante topológico basado en telururo de mercurio. Desde entonces, se han descubierto muchos materiales similares.

How it works

El secreto está en la topología, una rama de las matemáticas que estudia propiedades que no cambian bajo deformaciones suaves. Los estados cuánticos de los electrones en tal cristal están 'retorcidos', y este retorcimiento se conserva. Por lo tanto, en la superficie los electrones se ven obligados a moverse en una dirección determinada, sin cambiar de rumbo incluso al chocar con irregularidades del cristal. Es similar a cómo el agua de un río rodea una piedra sin detenerse.

History

En 2005, los científicos Charles Kane y Eugene Mele predijeron teóricamente que el grafeno podría ser un aislante topológico. Sin embargo, debido al débil efecto, esto no ocurrió. En 2007, Laurens Molenkamp y su grupo crearon por primera vez un aislante topológico basado en telururo de mercurio. Desde entonces, se han descubierto muchos materiales similares.

How it works

El secreto está en la topología, una rama de las matemáticas que estudia propiedades que no cambian bajo deformaciones suaves. Los estados cuánticos de los electrones en tal cristal están 'retorcidos', y este retorcimiento se conserva. Por lo tanto, en la superficie los electrones se ven obligados a moverse en una dirección determinada, sin cambiar de rumbo incluso al chocar con irregularidades del cristal. Es similar a cómo el agua de un río rodea una piedra sin detenerse.

History

Los fundamentos se sentaron con los trabajos sobre el efecto Hall cuántico (década de 1980), cuando David Thouless, F. Duncan Haldane y Michael Kosterlitz utilizaron la topología para explicar la estabilidad de la conductividad Hall. En 2005, Charles Kane y Eugene Mele propusieron que el grafeno, teniendo en cuenta la interacción espín-órbita, podría ser un aislante topológico bidimensional (fase de Hall de espín cuántico), pero el efecto en el grafeno resultó ser insignificante. En 2006, Bernevig, Hughes y Zhang predijeron el efecto Hall de espín cuántico en pozos cuánticos de HgTe/CdTe. Experimentalmente, el aislante topológico bidimensional fue realizado por el grupo de Laurens Molenkamp en 2007. Casi simultáneamente (2008-2009), se descubrieron aislantes topológicos tridimensionales — tetradimitas (Bi₂Se₃, Bi₂Te₃) — con fermiones de Dirac superficiales.

How it works

El aislante topológico se forma debido a la inversión de bandas bajo la acción de un fuerte acoplamiento espín-órbita. El hamiltoniano del volumen se puede describir en la aproximación k·p, y bajo ciertos parámetros surge la condición para un invariante Z₂ no nulo. Los estados superficiales son la solución de la ecuación de Dirac bidimensional H = v_F (σ_x p_x + σ_y p_y), donde v_F es la velocidad de Fermi. Gracias a la polarización de espín y la quiralidad (la dirección del espín está rígidamente ligada al momento), la retrodispersión está suprimida y la conductividad está cuantizada. La protección topológica se destruye solo bajo perturbaciones capaces de cerrar la banda prohibida del volumen, por ejemplo, en un campo magnético intenso o al romper la simetría de inversión temporal.

Open problems & fun facts

Búsqueda de materiales con una gran banda prohibida volumétrica (>0.3 eV) para aplicaciones a temperatura ambiente; Comprensión del papel de las correlaciones e interacciones en fases topológicamente ordenadas; Realización de la superconductividad topológica y detección de fermiones de Majorana; Fabricación de heteroestructuras ultralimpias para transporte sin defectos

💡 Los estados superficiales de un aislante topológico tridimensional se asemejan al grafeno bidimensional: obedecen la ecuación de Dirac y tienen masa efectiva nula. Sin embargo, a diferencia del grafeno, un aislante topológico tiene solo un cono de Dirac, no dos, lo que lo convierte en 'grafeno solitario'.