Un material compuesto de átomos de estaño dispuestos en una sola capa podría ser el primer conductor eléctrico del mundo con una eficiencia del 100%, lo que lo haría más conductor que el grafeno. El material aún no se ha producido en masa, pero se ha denominado estaneno mediante la combinación de stannum, la palabra latina para estaño, y el sufijo -eno del grafeno.
Material superconductor – Estaneno
El estaneno se encuentra dentro de una clase de materiales conocidos como aislantes topológicos, que conducen la electricidad sólo a través de sus superficies o bordes y no a través de sus interiores. Estas estructuras tienen un solo átomo de espesor, y los electrones y núcleos de los átomos pesados de las estructuras presentan interacciones complejas, lo que les permite conducir la electricidad con una eficiencia del 100%.
Según el líder del equipo de investigación, la importancia de los aisladores topológicos es que impulsan los electrones a lo largo de un camino definido sin ninguna resistencia. Anteriormente, el equipo de investigación determinó que el telurio de mercurio y las combinaciones de telurio, selenio, antimonio y bismuto son aislantes topológicos. Sin embargo, ninguno de ellos demostró ser un buen conductor eléctrico a temperatura ambiente.
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Por otro lado, el equipo decidió trabajar en una sola capa de estaño a principios de este año. Los resultados mostraron que el estaño es un conductor eléctrico perfecto a temperatura ambiente e incluso por encima de ella. Asimismo, los investigadores afirmaron que la eficiencia del estaño podría extenderse hasta los 100°C con la adición de átomos de flúor al estaño.
Beneficios potenciales del estaneno
Los investigadores afirmaron que una de las primeras aplicaciones del estaneno podrían ser los sistemas de cableado que conectan varias partes de un microprocesador, ya que el libre flujo de electrones en el cableado reduciría significativamente la generación de calor y el consumo de energía de los microprocesadores. También dijeron que el estaneno podría utilizarse para mejorar la velocidad y reducir el consumo de energía de los chips de ordenador en el futuro.
Además, los investigadores creen que el estaneno podría utilizarse como sustituto del silicio en los transistores. Sin embargo, los desafíos de fabricación incluyen asegurar la deposición de una sola capa de estaño y mantener intacta la capa única durante los procesos de fabricación de chips.
¿Un futuro súper rápido?
Los científicos han estado trabajando en el concepto de conductividad eléctrica sin pérdidas durante varios años, pero la mayoría de los sistemas funcionan sólo bajo condiciones extremas, ya sea con campos magnéticos fuertes o temperaturas muy bajas, como en el caso de los superconductores.
El descubrimiento del estaneno es un avance significativo en la investigación de materiales semiconductores. Los investigadores están esperando confirmación experimental, pero creen que las delicadas y atómicamente delgadas capas de estaneno probablemente revolucionarán la industria de los microprocesadores en el futuro.
El uso del Estaneno en los Circuitos Integrados
Entre la ola de materiales 2D que se desarrollará tras la síntesis del grafeno en 2004, uno de los más intrigantes es el caso del estaneno. En este material, la estructura hexagonal característica asociada a los materiales 2D consiste en átomos de estaño. Como en el caso de otros elementos 2D, ha sido sintetizado principalmente en el laboratorio por epitaxia de haz molecular -deposición de partículas individuales sobre un sustrato en condiciones de alto vacío y alta temperatura- y su existencia, junto con muchas de sus propiedades, fue determinada por cálculos teóricos de antemano.
El estaneno es un aislante topológico 2D. Las propiedades topológicas de la materia cuántica son un campo de investigación tan apasionante en física de la materia condensada, tanto teórica como experimentalmente, que el Premio Nobel de Física fue otorgado en 2016 a David Thouless, Duncan Haldane y Michael Kosterlitz «por los descubrimientos teóricos de las transiciones de fase topológica y las fases topológicas de la materia».
Los aislantes topológicos pueden describirse como materiales que pueden transportar una corriente -a veces una corriente superconductora- en el exterior o en la superficie del dispositivo mientras permanecen aislados dentro del mismo. Los electrones en los bordes pueden viajar sin prácticamente ninguna resistencia. Esto los hace útiles para el cableado nanoelectrónico, y para los casos en los que los electrones individuales necesitan ser manipulados.
También tienen propiedades únicas relacionadas con el giro de los electrones. Los electrones que pueden moverse a lo largo del borde exterior del aislante topológico también están aislados de los efectos cuánticos que podrían voltear su giro.
Los aisladores topológicos 2D pueden transportar «corrientes quirales», en las que los espines de los electrones se bloquean en la dirección de transporte, transfiriendo información. La electrónica digital tradicional utiliza esencialmente la carga en el electrón como medio para almacenar y procesar información, por lo que estos materiales podrían ser de gran valor para aquellos que quieran utilizar el espín del electrón para codificar y transferir información. Esto abre un nuevo campo: la espintrónica.
El estaneno en la investigación cuántica
Por supuesto, al igual que las aplicaciones de dispositivos, los aisladores topológicos 2D como el estaneno son de gran interés para los teóricos. Las capas atómicas individuales de estaneno exhiben el efecto Quantum Hall a temperatura ambiente, lo que las convierte en laboratorios intrincados para el estudio de la materia cuántica. Gran parte del campo está dedicado a comprender los fenómenos inusuales en los que el orden sublime surge de la interacción de muchas partículas, como la manifestación de transiciones de fase a estados superconductores.
Superconductividad
En Nature Physics 2018, se descubrió que el apilamiento de múltiples capas de estaneno una encima de la otra podría resultar en una transición de fase a la superconductividad. Hasta ahora, la superconductividad en el estaneno sigue produciéndose a temperaturas de transición muy bajas, lo que impide su uso sobre superconductores cerámicos de alta temperatura o aquellos que se fabrican en masa.
La esperanza es que el estaneno pueda exhibir muchas de sus propiedades únicas y útiles a altas temperaturas. Los científicos de Stanford adoptaron el enfoque de » Bloque de construcción de legos » común a los estudios de materiales en 2D, donde la adición de átomos individuales o de capas adicionales puede mejorar las propiedades deseadas. Observaron que al añadir átomos de flúor, el estaneno podría ampliar su rango operativo a más de cien grados centígrados, lo que haría que sus propiedades fueran estables a pesar de las temperaturas que se pueden ver en una computadora.
Con el nanocableado de estaneno, se podría reducir el consumo de energía y el espacio ocupado por los conductores de corriente eléctrica en los circuitos. El resultado serían circuitos integrados más rápidos, eficientes y pequeños. Esta era la esperanza del profesor Le Lay, que ha trabajado en materiales 2D durante muchos años. A principios de este año, dirigió un equipo de investigación global que sintetizó por primera vez el planar stanene, y estaba entusiasmado con las perspectivas de este material, dijo:
«En el futuro, esperamos ver al estaneno asociado con el siliceno en los circuitos informáticos. Esa combinación podría acelerar drásticamente la eficiencia computacional, incluso comparada con la tecnología de vanguardia actual».
Algunos de los defensores más entusiastas del stanene sugieren que un día podría desplazar al silicio por completo.
Eventualmente, podemos imaginar que el estaneno se utilice para muchas más estructuras de circuitos, incluyendo el reemplazo de silicio en los corazones de los transistores. Algún día podríamos llamar a esta área Tin Valley en lugar de Silicon Valley. Shoucheng Zhang, Stanford – Una investigación dirigida que indica que el flúor podría ser una adición útil al estaneno.
Materiales Aislantes
El estaneno es uno de una clase de emocionantes aislantes topológicos 2D con un conjunto único de propiedades electrónicas útiles, y el potencial para un comportamiento extraño, exótico y útil cuando se usa en combinación. La eficiencia energética extrema que estos dispositivos pueden proporcionar algún día está destinada a motivar la investigación física fundamental y de la ciencia de los materiales sobre ellos en los años venideros y, un día, la integración en la próxima generación de dispositivos ultrarrápidos y ultra-eficientes.
