Científicos crean el primer "semiconductor cuántico" del mundo.

Ilustración del primer dispositivo semiconductor cuántico en el que se logró el efecto de piel topológica. El flujo de electrones (círculo azul) a lo largo del borde asegura una robustez incomparable a pesar de las deformaciones del material u otras perturbaciones externas. Este semiconductor cuántico representa un avance en el desarrollo de dispositivos electrónicos topológicos pequeños. Crédito: Christoph Mäder/pixelwg

Los dispositivos semiconductores son componentes pequeños que gestionan el movimiento de electrones en dispositivos electrónicos contemporáneos. Son esenciales para alimentar una amplia gama de productos de alta tecnología, como teléfonos celulares, computadoras portátiles, sensores de vehículos y dispositivos médicos de vanguardia. Sin embargo, la presencia de impurezas en el material o variaciones en la temperatura pueden interferir con el flujo de electrones, causando inestabilidad.

Pero ahora, físicos teóricos y experimentales del Würzburg-Dresden Cluster of Excellence ct.qmat—Complexity and Topology in Quantum Matter han desarrollado un dispositivo semiconductor a partir de aluminio-galio-arsenio (AlGaAs). El flujo de electrones de este dispositivo, normalmente susceptible a interferencias, está protegido por un fenómeno cuántico topológico. Esta investigación innovadora se detalló recientemente en la prestigiosa revista Nature Physics.

"Gracias al efecto de piel topológica, todas las corrientes entre los diferentes contactos en el semiconductor cuántico no se ven afectadas por impurezas u otras perturbaciones externas. Esto hace que los dispositivos topológicos sean cada vez más atractivos para la industria de semiconductores. Eliminan la necesidad de niveles extremadamente altos de pureza del material que actualmente aumentan los costos de fabricación de electrónicos", explica el profesor Jeroen van den Brink, director del Institute for Theoretical Solid State Physics en el Leibniz Institute for Solid State and Materials Research en Dresden (IFW) y uno de los investigadores principales de ct.qmat.

Los materiales cuánticos topológicos, conocidos por su excepcional robustez, son perfectos para aplicaciones de alta potencia. "Nuestro semiconductor cuántico es a la vez estable y altamente preciso, una combinación rara. Esto posiciona a nuestro dispositivo topológico como una emocionante nueva opción en la ingeniería de sensores", explica van den Brink.

El uso del efecto de piel topológica permite nuevos tipos de dispositivos electrónicos cuánticos de alto rendimiento que también podrían ser increíblemente pequeños. "Nuestro dispositivo cuántico topológico tiene aproximadamente 0,1 milímetros de diámetro y se puede reducir aún más con facilidad", revela van den Brink. El aspecto pionero de este logro por parte del equipo de físicos de Dresden y Würzburg es que fueron los primeros en lograr el efecto de piel topológica a escala microscópica en un material semiconductor. Este fenómeno cuántico se demostró inicialmente a nivel macroscópico hace tres años, pero solo en un metamaterial artificial, no en uno natural. Por lo tanto, esta es la primera vez que se ha desarrollado un dispositivo cuántico topológico pequeño, basado en semiconductores, que es altamente robusto y ultrasensible.

"En nuestro dispositivo cuántico, la relación corriente-voltaje está protegida por el efecto de piel topológica porque los electrones están confinados en el borde. Incluso en caso de impurezas en el material semiconductor, el flujo de corriente permanece estable", explica van den Brink. Continúa: "Además, los contactos pueden detectar incluso las más mínimas fluctuaciones de corriente o voltaje. Esto hace que el dispositivo cuántico topológico sea excepcionalmente adecuado para fabricar sensores de alta precisión y amplificadores con diámetros minúsculos".

El éxito se logró al organizar creativamente materiales y contactos en un dispositivo semiconductor AlGaAs, induciendo el efecto topológico en condiciones de ultrafrío y un campo magnético fuerte. "Realmente sacamos el efecto de piel topológica del dispositivo", explica van den Brink. El equipo de física utilizó una estructura semiconductora bidimensional. Los contactos se organizaron de tal manera que la resistencia eléctrica se pudo medir en los bordes de los contactos, revelando directamente el efecto topológico.

Desde 2019, ct.qmat ha estado investigando materiales cuánticos topológicos en Würzburg y Dresden, explorando su comportamiento extraordinario en condiciones extremas como temperaturas ultra bajas, altas presiones o campos magnéticos fuertes.

El reciente avance también es el resultado de una colaboración sostenida entre científicos de las dos ubicaciones del clúster. El nuevo dispositivo cuántico, concebido en el IFW, fue un esfuerzo conjunto que involucró a físicos teóricos de la Universidad de Würzburg, así como a investigadores teóricos y experimentales en Dresden. Después de ser producido en Francia, el dispositivo fue probado en Dresden. Jeroen van den Brink y sus colegas ahora se dedican a seguir explorando este fenómeno, con el objetivo de aprovecharlo para futuras innovaciones tecnológicas.