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Una nueva investigación en aislantes topológicos podría ser la clave de los ordenadores cuánticos

Un grupo de investigadores europeos ha profundizado en el efecto de los campos magnéticos sobre el comportamiento de los aislantes topológicos, unos materiales que pueden albergar estados cuánticos nuevos y singulares en sus bordes. La manipulación y el confinamiento de estos estados pueden dar lugar a aislantes topológicos adecuados para utilizarlos en la computación cuántica.
Una nueva investigación en aislantes topológicos podría ser la clave de los ordenadores cuánticos
Los aislantes topológicos son una clase de materiales descubiertos recientemente que se comportan como aislantes en su interior, pero cuyas superficies contienen estados conductivos en sus interfaces con otros aislantes. Los estados superficiales de los aislantes topológicos presentan una propiedad intrigante: la dirección del movimiento electrónico está ligada inseparablemente a la orientación del espín. Estos estados de conducción protegidos se pueden romper si el espín electrónico se invierte.

Una de las ventajas de este comportamiento selectivo dependiente del espín es que impide un fenómeno denominado retrodispersión. Las imperfecciones que habitualmente neutralizarían las propiedades electrónicas del material quedan prácticamente sin efecto. Ahora bien, las superficies topológicas retienen una corriente de espín sin disipación así como la protección contra la retrodispersión en distancias de unos pocos micrómetros. Los mecanismos de retrodispersión en distancias largas que se han descrito en el telururo de mercurio (HgTe) no se han conseguido explicar.

Con el fin de ofrecer respuestas, un equipo de científicos puso en marcha el proyecto MAGNETOP (Probing the effect of time reversal symmetry breaking by the application of a local magnetic field in topological insulators). La labor de este proyecto se orientó a investigar el efecto de los campos magnéticos reducidos sobre la dispersión, manteniendo la distinción entre la influencia de las fluctuaciones del campo eléctrico y la de los campos magnéticos locales.

Utilizando microscopía de barrido por puerta, el equipo sondeó el transporte y la dispersión electrónica en paredes cuánticas de HgTe. Estos resultados no solamente ayudan a comprender mejor los mecanismos de dispersión en los estados formados por efecto Hall cuántico de espín, sino que también demuestran cómo interactúan bordes y portadores en el material en masa cuando este se hace conductivo.

El equipo científico también investigó sobre el efecto del confinamiento de portadores en una cavidad Fabry-Pérot en paredes cuánticas de HgTe. Las uniones bipolares se crearon combinando los efectos de las tensiones de puerta posterior y de puerta superior. La interferencia cuántica resultante se detectó en las mediciones de transporte. Cabe esperar que estos resultados permitan ahondar en la influencia del confinamiento sobre los estados de los bordes y su interacción con los portadores en masa tanto en ausencia como en presencia de un campo magnético reducido. Asimismo, dichos resultados se podrán utilizar para estudiar la interrelación del efecto Hall cuántico y el efecto Hall cuántico de espín en presencia de campos magnéticos elevados.

Los experimentos realizados mediante microscopía de barrido por impedancia a las microondas sobre muestras delgadas en campos magnéticos elevados revelaron una conducción inesperada en los bordes. Estos resultados ponen en duda las hipótesis actuales sobre los campos magnéticos elevados y su capacidad de romper los estados de conducción protegidos.

Cabe esperar que la investigación realizada en el marco del proyecto MAGNETOP sobre el comportamiento de los estados en los bordes bajo campos magnéticos contribuya a una mayor comprensión de los mecanismos de dispersión electrónica. La manipulación de campos magnéticos en dichos estados es relevante de cara a diseños futuros de circuitos electrónicos y transistores. Todos los resultados de este proyecto se han publicado en revistas científicas arbitradas.

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Palabras clave

Aislantes topológicos, ordenadores cuánticos, campos magnéticos, dispersión, MAGNETOP, efecto Hall cuántico de espín
Número de registro: 183076 / Última actualización el: 2016-07-26
Dominio: TI, Telecomunicaciones
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