Un material tridimensional que imita al grafeno

Dibujo140225 three-dimensional topological dirac semimetal - crystal structure na3bi - science mag

El grafeno es un semimetal de Dirac. En estos materiales los electrones a baja energía se comportan como si fueran partículas sin masa que se mueven a la velocidad de la luz efectiva en el material (que es 300 veces inferior a la velocidad de la luz en el vacío). Un material tridimensional con esta propiedad es un semimetal de Dirac topológico. Se publica en Science que el bismuturo de trisodio es un análogo tridimensional al grafeno (una capa bidimensional de carbonos con un sólo átomo de grosor). El nuevo material es muy inestable, pero abre la puerta al descubrimiento de otros semimetales de Dirac topológicos mucho más estables. Capas delgadas de estos materiales podría ser una competencia fuerte contra el grafeno, al poder sustituirlo en muchas aplicaciones. El artículo técnico es Z. K. Liu et al., “Discovery of a Three-Dimensional Topological Dirac Semimetal, Na3Bi,” Science 343: 864-867, 21 Feb 2014. Más información en Glennda Chui, “Scientists Find 3-D Material That Mimics 2-D Graphene,” SLAC News, 16 Jan 2014.

El equipo investigador está dirigido por Yulin Chen, de la Universidad de Oxford, está buscando otros semimetales de Dirac topológicos (TDS por sus siglas en inglés) que puedan suplir al grafeno en las aplicaciones electrónicas y optoelectrónicas. Los físicos teóricos Zhong Fang y Xi Dai, ambos de la Academia de Ciencias de China, coautores del nuevo artículo, predijeron que el bismuturo de trisodio, Na3Bi, era un posible candidato a TDS. El grupo de Chen en Oxford lo ha verificado gracias a la espectroscopia de fotoemisión.

El trabajo de laboratorio en Oxford no ha sido fácil, pues el bismuturo de trisodio es muy inestable y reacciona al ser expuesto al aire, burbujeando y descomponiéndose en polvo. Por tanto, su utilidad práctica es muy limitada. Sin embargo, abre la puerta al desarrollo de nuevos materiales con propiedades similares. De hecho, ya se están estudiando varios candidatos.

Dibujo140225 topological dirac semimetal - regular vs topological insulator - science mag

La clave de los TDS es la existencia de un punto crítico cuántico en la transición de fase cuántica topológica de su estado normal como aislante hasta un nuevo estado como aislante topológico. Los signos “+” y “-” denotan la paridad par e impar de las bandas electrónicas, que se invierten en esta transición de fase cuántica.

Dibujo140225 continuous ef tuning by surface k-doping - science mag

La estructura electrónica del Na3Bi ha sido obtenida por espectroscopia de fotoemisión tipo ARPES (Angle Resolved Photoemission Spectroscopy). Se irradia el material con rayos X, lo que provoca la emisión de electrones (llamados fotoelectrones) cuya energía depende de la diferencia entre la energía de los fotones incidentes y la energía de ionización. Recuerda que la energía de ionización es la necesaria para desprender un electrón desde un nivel atómico. Midiendo la distribución de energía en función del ángulo de los electrones emitidos se pueden reconstruir los niveles energéticos de las bandas electrónicos en el material.

Dibujo140225 Schematics show the dispersions that slice through the 3D Dirac cones at different momentum locations - science mag

La comparación de las curvas de dispersión medidas por la técnica ARPES y las predicciones teóricas para un TDS es muy buena. Más aún, dopando la superficie del material se puede estudiar en detalle la  transición de fase cuántica topológica.

En resumen, un gran avance hacia el desarrollo de TDS tridimensionales que compitan con el grafeno.



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Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 25 febrero, 2014
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