Descubren un nuevo tipo de materiales aislantes en volumen pero conductores en superficie

Un equipo de investigadores de cinco países, entre los que se encuentran físicos del Donostia International Physics Center (DIPC) —colaborador estratégico del Campus de Excelencia Internacional Euskampus— y del Centro de Física de Materiales (CFM) —centro mixto CSIC-UPV/EHU— ha descubierto un nuevo tipo de aislante topológico (materiales que, siendo aislantes en su volumen, son conductores en su superficie) que presenta unas propiedades muy prometedoras a nivel tecnológico. Los resultados han sido recientemente publicados en la prestigiosa revista Nature Communications.

Los aislantes topológicos se observaron por primera vez en 2007 y son materiales que, siendo aislantes en su interior o su volumen, se comportan como metales en la superficie. Sus propiedades únicas, podrían ser utilizadas para nuevas aplicaciones en espintrónica y en computación cuántica.

El carácter metálico superficial de estos materiales aislantes en volumen es debido a un particular estado electrónico confinado en la superficie. Sin embargo, para poder rentabilizar este singular fenómeno, a menudo es necesario poder sintonizar adecuadamente la energía de ese estado de conducción. El equipo internacional de investigadores ha demostrado que la mayoría de los compuestos ternarios ordenados (complejos de germanio, estaño, plomo, bismuto, antimonio, teluro y selenio) son aislantes topológicos tridimensionales reales que muestran propiedades distintas de las observadas en otros compuestos binarios. En particular, su estado metálico se encuentra a 1-2 nm de profundidad, lo que hace sea más estable y esté más protegido ante cualquier alteración de la superficie, mientras que las características de su espín permiten modificaciones magnéticas del material.

La existencia de este tipo de aislantes topológicos exóticos fue primeramente predicha a nivel teórico por científicos de Tomsk (Rusia), Halle (Alemania) y Donostia. Siguiendo esta predicción, químicos de Baku (Azerbaiyán) crearon una muestra de cristal simple de uno de esos compuestos. La muestra fue después estudiada por investigadores de Zúrich (Suiza) y Hamburgo (Alemania), confirmándose todas las predicciones teóricas.

El descubrimiento ofrece una vía de avance en relación al diseño de las propiedades electrónicas y de espín (es decir, propiedades magnéticas) utilizando diferentes compuestos, y confirma la posibilidad de crear aislantes topológicos con estados de conducción profundos, auto-protegidos, y por tanto, estados de conducción tecnológicamente relevantes.