En los aisladores topológicos (TI), como en la mayoría de los semiconductores y semimetales, se genera una corriente eléctrica por el movimiento neto de electrones alrededor del nivel de Fermi en respuesta a un campo eléctrico aplicado externamente. En el caso de los TI, estos electrones ocupan estados que están localizados espacialmente en la superficie (también conocidos como “estados de superficie”) y forman canales conductores robustos a baja temperatura. Estos estados de superficie se forman en el intervalo de banda entre la banda de conducción y la banda de valencia (véase la figura a continuación). En cada nivel de energía, solo hay dos estados disponibles: uno hacia adelante y el otro hacia atrás.
[Imagen tomada de Wikipedia]
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En general, el campo eléctrico acelera el electrón al cambiar su ocupación de un estado de menor velocidad a uno más alto. Sin embargo, la aceleración electrónica no puede continuar indefinidamente, es decir, la acumulación de electrones en estados de alta velocidad no puede continuar indefinidamente. En cambio, la distribución de electrones alcanza un estado estable cuando la energía promedio y la ganancia de impulso del campo eléctrico se cancelan por las pérdidas por dispersión con defectos, impurezas, fonones (vibraciones reticulares), etc.
En el caso de TI, los estados de superficie (o estados de borde) no pueden sufrir ‘retrodispersión’ por dispersión con impurezas no magnéticas porque están ‘topológicamente protegidos’. Normalmente, cuando un electrón colisiona elásticamente con una impureza, puede reflejarse o desviarse a un estado con un componente de momento opuesto a su momento original. Sin embargo, en los TI, tales colisiones no producen tales desviaciones porque los estados de la superficie tienen un bloqueo de momento de giro que prohíbe las transiciones entre los estados con momento positivo y los estados con momento negativo.
[Imagen tomada de sciencenews.org]
El bloqueo del momento de giro también requiere que el electrón se someta a un “giro de giro” simultáneamente con un “giro de momento” con el fin de retrodispersar y esto generalmente no es posible con impurezas no magnéticas. Esto significa que los estados de movimiento hacia adelante y hacia atrás forman canales independientes que no se cruzan en el borde del sólido. Por lo tanto, lo que sucede es que el electrón en el estado de la superficie seguirá moviéndose sin chocar con las impurezas o defectos que generalmente se encuentran en las superficies.
