Viitoarele tranzistoare, care vor putea depăși legea lui Moore, pot fi realizate din unele materiale neobișnuite, denumite „materii topologice”. În cadrul acestora, curentul electric circulă doar pe suprafețe, fără a exista o disipare a energiei. În prezent, noile descoperiri sugerează faptul că aceste materii topologice speciale ar putea fi implementate, într-o bună zi, în electronica de mare viteză, cu putere redusă, și în computerele cuantice. Recent, oamenii de știință au dezvăluit faptul că pot activa aceste proprietăți electronice neobișnuite prin bombardarea materiei cu fascicule laser.
Materia topologică ar putea fi utilizată pentru a crea dispozitive electronice care să poată funcționa fără pierderi de energie, ceea ce înseamnă că acestea ar putea consuma mult mai puțină energie și ar putea funcționa la viteze mult mai mari decât dispozitivele convenționale, bazate pe siliciu. În prezent, cercetătorii au observat faptul că, prin intermediul luminii, pot manipula aceste proprietăți topologice ciudate, dar incredibile.
Oamenii de știință au investigat pentatelura de zirconiu (ZrTe5), care, pe baza topologiei sale, posedă proprietăți electronice extraordinare. Topologia este ramura matematicii care investighează formele geometrice rezistente la deformare. De exemplu, un obiect în formă de gogoașă se poate deforma în forma unei căni, orificiul acesteia formând gaura din mânerul cupei. Totuși, gogoașa nu poate fi comprimată sau întinsă într-o formă care nu prezintă o gaură fără ca aceasta să se rupă.
Utilizând cunoștințele din topologie, în anul 2007, cercetătorii au dezvoltat primii izolatori topologici electronici. Electronii care se fixează de-a lungul marginilor sau suprafețelor acestor materiale sunt „protejați topologic”, ceea ce înseamnă că aceștia rezistă oricăror perturbări care le-ar putea împiedica deplasarea.
Modul în care protecția topologică poate proteja circuitele electrice de interferențele exterioare oferă posibilitatea utilizării acestora nu doar pentru dispozitivele electronice de mare viteză, cu putere redusă, ci și pentru calculatoarele cuantice care, teoretic, pot deveni mai puternice decât orice supercalculator. Efectele mecanice cuantice de care depind calculatoarele cuantice, precum superpoziția și inseparabilitatea cuantică, sunt foarte fragile, iar oamenii de știință speră că protecția topologică le-ar putea proteja.
În urma cercetărilor anterioare s-a descoperit faptul că pentatelura de zirconiu este un tip de material topologic cunoscut sub denumirea de semimetal Dirac, ceea ce înseamnă că acesta ar putea suporta curenți electrici aproape disipați. Acest lucru face pentatelura de zirconiu similară cu foile de grafen. Totuși, spre deosebire de materialele cu grosimi de un atom, structura 3D a pentatelurii de zirconiu ar putea elimina cel puțin unele dintre aspectele dificile ale utilizării unor materiale atât de subțiri.
În cadrul noului studiu, cercetătorii au analizat efectele utilizării unor lasere terahertz cu scopul de a răsuci rețeaua cristalină a pentatelurii de zirconiu. Aceștia au descoperit faptul că lumina ar putea declanșa crearea unor curenți gigantici protejați topologic în material, în cadrul cărora electronii să se comporte precum așa-numiții fermioni Weyl sau particule fără masă care poartă sarcină electrică. Cu alte cuvinte, electronii din pentatelura de zirconiu s-ar putea deplasa cu viteze de aproximativ 1-3% din viteza luminii, pe distanțe de până la aproximativ 10 microni. (În schimb, viteza reală a electronilor care se deplasează în dispozitivele electronice convenționale este mult mai mică.)
Oamenii de știință au observat faptul că utilizarea luminii pentru a crea acești curenți gigantici, aproape disipați, ar putea fi o metodă mult mai rapidă și mai eficientă din punct de vedere energetic decât utilizarea câmpurilor electrice sau magnetice. De asemenea, această abordare ar putea funcționa la temperatura camerei, spre deosebire de alte tehnici, în care sunt necesare temperaturi apropiate de zero absolut.
„Descoperirea curentului aproape disipabil, controlat de lumină, oferă perspective pentru dezvoltarea aplicațiilor tehnologice transformative în diverse domenii, precum calculul cuantic, diferite analize și domeniul comunicațiilor, dincolo de limitele tehnologice actuale”, a declarat coautorul studiului Jigang Wang, om de știință senior în cadrului Laboratorului Ames din Iowa și fizician în cadrul Universității de Stat din Iowa.
În prezent, cercetătorii intenționează să studieze dacă această descoperire se aplică și altor materiale. De asemenea, aceștia vor să testeze durata de funcționare a acestor curenți declanșați de lumină, protejați topologic.
