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Descubren cómo modificar de forma controlada los aislantes topológicos

El hallazgo podría revolucionar la industria de los ordenadores y las telecomunicaciones


Una investigación internacional ha establecido cómo modificar de forma controlada los así llamados aislantes topológicos, llamados a ser los precursores de una nueva generación de microprocesadores de alto rendimiento y bajo consumo. El estudio demuestra que el comportamiento de un aislante topológico está correlacionado de forma proporcional con la deformación y permitiría, por ejemplo, aplicar electricidad a un cristal, deformarlo, y así controlar de forma dinámica el aislante topológico.




El catedrático de la Universidad de Cádiz, Pedro Galindo. Foto: Universidad de Cádiz.
El catedrático de la Universidad de Cádiz, Pedro Galindo. Foto: Universidad de Cádiz.
En el mes de abril de 2014, un trabajo en el que participa Pedro L. Galindo, Catedrático de Universidad y miembro del departamento de Ingeniería Informática de la Universidad de Cádiz (UCA), ha merecido la portada de la revista Nature Physics, la de más alto reconocimiento internacional en física.

Tal como explica la citada universidad en un comunicado, en dicho trabajo se explica cómo modificar de forma controlada el comportamiento de una familia de materiales revolucionarios denominados aislantes topológicos. Estos materiales están llamados a ser los precursores de una nueva generación de microprocesadores de alto rendimiento y bajo consumo, por lo que podría revolucionar la industria de los ordenadores, telefonía móvil, telecomunicaciones, automoción, etc. Pensemos que hoy en día, cualquier aparato industrial, doméstico, o de consumo, lleva un microprocesador en su interior.
 
En 2007 se descubrió de forma experimental una nueva familia de materiales: los aislantes topológicos. Desde entonces, un gran número de investigadores han centrado sus trabajos en ellos. Estos peculiares materiales se comportan de forma extraña, ya que son aislantes en su interior, pero se comportan como metales conductores en la superficie. Es decir, el material se comporta como una capa relativamente gruesa de plástico que separa dos capas extremadamente finas de material conductor, con la diferencia de que todo el conjunto es un mismo material: simplemente se comporta así. Cuando este material tiene un espesor de pocos átomos, su superficie puede llegar a conducir la electricidad con una eficiencia muy cercana al 100 por cien.
 
Bajo el nombre “Tuning Dirac states by strain in the topological insulator Bi2Se3”, el trabajo se ha realizado durante los últimos años en colaboración con investigadores de la Universidad de Wisconsin (EEUU) y de la Universidad de York (Reino Unido).

A través de él se demuestra tanto teóricamente (con simulaciones DFT) como de forma experimental (mediante el uso de técnicas avanzadas de determinación de la deformación a partir de imágenes de microscopía electrónica), que el comportamiento de un material aislante topológico (Bi2Se3) está correlacionado de forma proporcional con la deformación.

Este hecho abre la puerta a la posibilidad de utilizar la deformación para desarrollar dispositivos cuyo comportamiento pueda ser modificado de forma controlada. Así, por ejemplo, se podría utilizar el efecto piezoeléctrico y, aplicando electricidad a un cristal, deformarlo, y así controlar de forma dinámica el aislante topológico.

Deformaciones estructurales

La labor del Dr. Pedro L. Galindo es el fruto de varios años de trabajo en el seno de su grupo de investigación y se centra en el cálculo de las deformaciones estructurales en imágenes de microscopía electrónica de alta resolución.

Su software para el cálculo de deformaciones se denomina Peak Pairs Analysis (PPA), cuyos fundamentos se publicaron en la revista Ultramicroscopy, y que distribuye desde 2009 la empresa japonesa HREM Research Inc. (líder mundial en software aplicado a microscopía electrónica) desde su sede en Tokio, a través de un acuerdo de cesión temporal de la licencia por parte de la UCA. Los ingresos por royalties gracias a este software constituyen la mayor fuente de ingresos de la UCA por este concepto.

En los últimos años, el software ha sido adquirido por empresas, centros de investigación y universidades de alta reputación como SAMSUNG, TOSHIBA, FEI, JEOL, U.S. Air Force, Sandia Labs., Oak Ridge Natl. Lab, Los Alamos Labs., Max-Planck Institute, TU Wien, KBSI Korea, ITRI Taiwan, Osaka Univ., o Beijing Univ. of Technology, entre otras.
 
Para el desarrollo y perfeccionamiento de dicho software se ha utilizado el supercomputador de la UCA (http://supercomputacion.uca.es), equipamiento financiado con fondos europeos (FEDER) en dos fases por un total cercano al millón de euros, y cuya solicitud, diseño e implantación fue liderada por Pedro L. Galindo y llevada a cabo en colaboración con otros grupos de investigación de la UCA (Dr. Rafael García Roja) y personal de los servicios centrales de informática (Abelardo Belaústegui y Gerardo Aburruzaga). Este equipamiento, cuya potencia le coloca entre los más potentes de Andalucía, se encuentra actualmente al servicio de la comunidad investigadora de la UCA.
 
Es importante destacar que este trabajo publicado en Nature Physics tiene como objetivo final la fabricación de dispositivos reales de características excepcionales. Por ejemplo, se podrán utilizar los materiales aislantes topológicos para cablear los componentes de un microprocesador, permitiendo a los electrones fluir a velocidades cercanas a las de la luz, con un consumo casi nulo, reduciendo por tanto la generación de calor, lo que permitiría aumentar enormemente la velocidad de cálculo.

Referencia

Y. Liu, Y.Y. Li, S. Rajput, D. Gilks, L. Lari, P. L. Galindo, M.Weinert, V. K. Lazarov and L. Li: “Tuning Dirac states by strain in the topological insulator Bi2Se3 ” en Nature Physics (Abril, 2014) doi:10.1038 / nphys2898


Viernes, 2 de Mayo 2014
Universidad de Cádiz/T21
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