Encuentran "grafeno en 3D"

El descubrimiento de lo que es esencialmente una versión en 3D de grafeno -los planos bidimensionales de carbono a través de los cuales los electrones se mueven mucho más rápido que a través del silicio- promete emocionantes novedades en la industria de alta tecnología, incluyendo transistores mucho más rápidos y discos duros mucho más compactos.

Una colaboración de investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab, en California) del Departamento de Energía de EE.UU. (DOE) ha descubierto que el bismutato de sodio puede existir en una forma de materia cuántica llamada semimetal de Dirac topológico tridimensional (3DTDS).

Esta es la primera confirmación experimental de la existencia de fermiones de Dirac (fermiones que no son su propia antipartícula) en 3D en el interior de un material, un nuevo estado de la materia que no se había propuesto nunca hasta hace poco por parte de los teóricos.

"Los 3DTDS son el equivalente tridimensional natural del grafeno, con similar o incluso mejor movilidad y velocidad de electrones", señala en la información del Berkeley Lab Yulin Chen, que trabajaba en el Laboratorio de Berkeley de Fuentes Avanzadas de Luz (ALS) cuando inició el estudio que llevó a este descubrimiento, y ahora están en la Universidad de Oxford (Reino Unido).

"Los materiales 3DTDS también tienen una intrigante magnetorresistencia lineal no saturante que puede ser varios órdenes de magnitud superior a la de los materiales utilizados actualmente en los discos duros, y eso abre la puerta a sensores ópticos más eficientes." Chen es el autor principal de un artículo en la revista Science que informa del descubrimiento.

Determinación de la estructura electrónica

Dos de los más emocionantes nuevos materiales en el mundo de la alta tecnología de hoy en día son el grafeno y los aislantes topológicos, materiales cristalinos que son eléctricamente aislantes en su interior, pero que son conductores en la superficie.

Ambos contienen fermiones de Dirac en 2D, que provocan sus propiedades físicas extraordinarias y altamente codiciadas. Los aislantes topológicos poseen además una estructura electrónica única, en la que los electrones del interior se comportan como un aislante mientras que los de la superficie se comportan como los del grafeno.

"El rápido desarrollo del grafeno y de los aislantes topológicos ha suscitado dudas en cuanto a si hay homólogos suyos en 3D, y otros materiales con topología inusual en su estructura electrónica", explica Chen. "Nuestro descubrimiento responde a ambas preguntas: el bismutato de sodio que estudiamos cumple ambas condiciones".

El descubrimiento tuvo lugar en el ALS, utilizando la línea de luz 10.0.1, que está optimizado para el estudio de estructuras electrónicas. El equipo de investigación desarrolló por primera vez un procedimiento especial para sintetizar y transportar el bismutato de sodio.

Los científicos determinaron la estructura electrónica de su material utilizando la fotoemisión por espectroscopía, provocando la emisión de electrones del material aplicando rayos X. Los distintos ángulos y velocidades ayudan a determinar el espectro electrónico.

Inestable

El bismutato de sodio es demasiado inestable para ser usado en dispositivos sin el embalaje adecuado, pero esto dispara la búsqueda de otros materiales 3DTDS más adecuados para los dispositivos de uso cotidiano.

Por otro lado, los materiales 3DTDS tienen varias ventajas respecto al grafeno. "Podría proporcionar una mejora significativa en la eficiencia de muchas aplicaciones debido a su volumen 3D", señala Chen. "Además, la preparación de películas de grafeno sigue siendo un desafío. Podría ser más fácil con los 3DTDS".

Referencia bibliográfica:

Z. K. Liu, B. Zhou, Y. Zhang, Z. J. Wang, H. M. Weng, D. Prabhakaran, S.-K. Mo, Z. X. Shen, Z. Fang, X. Dai, Z. Hussain, Y. L. Chen. Discovery of a Three-Dimensional Topological Dirac Semimetal, Na3B. Science (2014). DOI: 10.1126/science.1245085.