Basándose en los principios básicos de la mecánica cuántica, los investigadores han podido diseñar y fabricar dispositivos electrónicos con funcionalidades especializadas manipulando los grados internos de libertad de los portadores de carga para regular el comportamiento del transporte. Estos dispositivos electrónicos cuánticos han superado el rendimiento de los dispositivos semiconductores tradicionales en términos de almacenamiento, procesamiento y transmisión de información, con ventajas significativas de menor consumo de energía y mayor eficiencia. En la actualidad, la espintrónica y la valleytrónica son dos escenarios para construir dispositivos electrónicos cuánticos manipulando los grados de libertad de espín y valle, respectivamente, mostrando un gran potencial en los campos de los dispositivos de bajo consumo energético y la computación cuántica.

Sin embargo, la espintrónica y la valleytrónica todavía tienen limitaciones. En la espintrónica, el transistor de efecto de campo de espín de Datta-Das que logra la inversión de la polarización de espín controlando la corriente no se ha preparado con éxito debido a las deficiencias técnicas. En la valleytrónica, todavía no existe un método eficaz para lograr la inversión completa de la polarización del valle entre dos valles de energía. Por lo tanto, es un problema ampliamente considerado encontrar un nuevo grado de libertad más allá del espín y el valle para establecer el mecanismo de transporte correspondiente y construir dispositivos electrónicos de mayor rendimiento.

Un estudio experimental reciente informó un efecto Hall anómalo polarizado por capas realizado en el material aislante axión antiferromagnético intrínseco (AI) MnBi₂Te₄ [Nature 595, 521 (2021)]. Este progreso ha hecho que la gente se dé cuenta de que, además del espín y el valle, el grado de libertad espacial de los electrones (aquí referido al grado de libertad de la capa) también se puede controlar de forma flexible, lo que se espera que se utilice para construir nuevos dispositivos electrónicos. Sin embargo, el transporte de carga polarizado por capas no está protegido topológicamente y no tiene ventajas significativas en términos de pérdida de energía y eficiencia de trabajo. Por lo tanto, si el grado de libertad de la capa se puede manipular sin disipación utilizando excitaciones elementales protegidas topológicamente es un problema clave que debe resolverse en la preparación de dispositivos de alto rendimiento en la electrónica de capas.

Recientemente, el equipo de investigación dirigido por el profesor X. C. Xie y el profesor Hua Jiang del Centro Interdisciplinario de Física Teórica e Información Científica de la Universidad de Fudan/Centro Internacional de Materiales Cuánticos de la Universidad de Pekín ha llevado a cabo una investigación teórica sobre el diseño de dispositivos de capa en el AI MnBi₂Te₄. Este estudio ha establecido el concepto de “capa electrónica” y ha diseñado prototipos de dispositivos de filtros de capa, válvulas de capa e inversores de capa utilizando modos de pared de dominio topológicos quirales polarizados por capas en materiales MnBi₂Te₄. En comparación con la espintrónica y la valleytrónica, los dispositivos de capa electrónica son más estables y tienen un menor consumo de energía, lo que se puede utilizar para la codificación, el procesamiento y el almacenamiento de información. Son soluciones viables para la fabricación de una nueva generación de dispositivos electrónicos con alta eficiencia y baja disipación. Este trabajo se ha publicado en el número 11 de National Science Review en 2024, titulado “Dissipationless layertronics in axion insulator MnBi₂Te₄“. El profesor Jiang Hua de la Universidad de Fudan y el becario postdoctoral Gong Ming del Programa Postdoctoral Boya de la Universidad de Pekín son los coautores correspondientes, mientras que Gong Ming y el becario postdoctoral Li Shuai de la Universidad de Soochow son los coautores principales. Otros colaboradores incluyen al profesor Cheng Shuguang de la Universidad del Noroeste.

Esta investigación demuestra que los modos de pared de dominio unidimensionales polarizados por capas protegidos topológicamente existen en las paredes de dominio antiferromagnéticas de MnBi₂Te₄ de capas pares. La quiralidad de los modos está intrínsecamente bloqueada al grado de libertad de la capa, lo que constituye el quid de la manipulación sin disipación del grado de libertad de la capa y el diseño de dispositivos de capa electrónica. Con estos modos de pared de dominio unidimensionales, el equipo de investigación propone diseños para tres dispositivos fundamentales: filtros de capa, válvulas de capa e inversores de capa [véase la figura 1]. Los filtros de capa se pueden realizar a través de un dispositivo de dos terminales que consiste en una única pared de dominio antiferromagnético MnBi₂Te₄. Cuando se aplica una polarización positiva o negativa, los modos quirales ubicados en diferentes superficies participan en el transporte, formando una corriente electrónica polarizada por capas, que se puede utilizar para filtrar señales de corriente que transportan información de capa específica. Los dispositivos de válvula de capa se pueden fabricar combinando dos pares de paredes de dominio magnético MnBi₂Te₄ con modos de pared de dominio quirales opuestos. Ajustando independientemente la energía de Fermi de las paredes de dominio magnético, la corriente polarizada por capas se puede encender y apagar. Por último, con la ayuda del estado aislante de Chern en el MnBi₂Te₄ ferromagnético, los modos quirales de pared de dominio en las superficies superior e inferior se pueden vincular, lo que permite la construcción de un dispositivo inversor de capa que invierte la corriente polarizada por capas (transformando la corriente entre las superficies superior e inferior). Estos diseños fundamentales de dispositivos de capa electrónica proporcionan una base teórica para el establecimiento de la capa electrónica y la manipulación sin disipación del grado de libertad de la capa. El estudio explora además enfoques tecnológicos clave para la fabricación experimental de dispositivos de capa electrónica [véase la figura 2].