Un material cuántico, conductor y aislante, cambiará los 'smartphones'

Un nuevo material cuántico, el dodecaboruro de iterbio, o YbB12, muestra una conductividad mucho más eficiente que el silicio usado en los 'smartphones', para hacerlos más rápidos y livianos.

Un físico de la Universidad de Michigan ha obtenido una imagen de lo eficientemente que se conduce la electricidad a través de este material. La demostración de la conductividad de este material contribuirá a que los científicos comprendan el espín, la carga y el flujo de energía en estos materiales electromagnéticos.

YbB12 es un cristal muy limpio que es inusual ya que comparte las propiedades de los conductores y aislantes. Es decir, el interior a granel de YbB12 es un aislante y no conduce electricidad, mientras que su superficie es extraordinariamente eficiente para la conducción de electricidad. Pero los investigadores necesitaban poder medir exactamente cómo de bueno era este material para conducir la electricidad.

"En este momento, estamos usando un teléfono para hablar. Dentro del teléfono están sus partes clave: un transistor hecho de silicio que pasa la electricidad a través del dispositivo", dijo el líder del proyecto Lu Li, profesor asociado de Física en Michigan. "Estos semiconductores de silicio usan la mayor parte de su propio material para hacer una ruta para la corriente eléctrica. Eso hace que sea difícil hacer que los dispositivos electrónicos sean más rápidos o más compactos".

Reemplazar los transistores de silicio de un teléfono por otros hechos de materiales cuánticos haría que el teléfono sea mucho más rápido y mucho más liviano. Eso es porque los transistores dentro del dispositivo conducirían la electricidad muy rápidamente en sus superficies, pero podrían hacerse mucho más pequeños, con un núcleo más ligero debajo de una capa del interior aislante del metal.

Los materiales cuánticos no se limitarán a alimentar nuestros teléfonos. Podrían ser utilizados en la computación cuántica, un campo aún en su infancia, pero que podría ser utilizado para la ciberseguridad. Actualmente, nuestras computadoras funcionan procesando datos en dígitos binarios: 0 y 1. Sin embargo, la velocidad con la que las computadoras pueden procesar los datos de esta manera tiene un límite. En cambio, las computadoras cuánticas usarían las propiedades cuánticas de los átomos y los electrones para procesar información, abriendo la capacidad de procesar grandes volúmenes de información mucho más rápido.

Li estudió YbB12 para comprender la firma electrónica del material, que le dice a los investigadores lo bien que un material conduce la electricidad. En un metal limpio que conduce la electricidad de manera muy eficiente, los electrones forman grupos dentro de los metales.

Las oscilaciones de estos grupos conducen a oscilaciones de la resistencia eléctrica del material. Esta oscilación les dice a los investigadores qué tan eficientemente el material es capaz de conducir electricidad. En este estudio, Li pudo medir la oscilación de la resistencia de un aislante a granel, un problema que ha estado tratando de resolver durante cuatro años.

Para medir esta oscilación, Li usó un imán muy poderoso ubicado en un laboratorio en el Laboratorio Nacional de Alto Campo Magnético en Florida. Este imán es similar a un imán que usarías para arreglar una foto en tu refrigerador, dice Li, pero muchas veces más potente. Un imán de nevera tiene un tirón de aproximadamente 0,1 Tesla, una unidad de medida para el campo magnético. El imán en el laboratorio de Florida tiene un tirón de 45 Tesla. Eso es aproximadamente 40 veces más potente que el imán utilizado en una máquina de MRI.

Para medir la eficiencia de YbB12, Li ejecutó una corriente eléctrica a través de la muestra en presencia del imán. Luego, examinó cuánto cayó el voltaje eléctrico en la muestra. Eso le dijo a Li cuánta resistencia había en el material.

"Finalmente obtuvimos la evidencia correcta. Encontramos un material que era un buen aislante en su interior, pero en su superficie había un buen conductor, tan bueno que podemos hacer un circuito eléctrico en ese conductor", dijo Li. "Puedes imaginarte que puedes tener un circuito que se mueva tan rápido como sea posible en una pequeña superficie. Eso es lo que esperamos lograr para la electrónica del futuro".

El estudio se publica en Science.