El estaño beta es como el grafeno pero en 3D

Estaño alfa (izquierda) y estaño beta (derecha)

El estaño es un metal que se conoce al menos desde hace 5.000 años, desde la Edad del Bronce. Con ese tiempo transcurrido debería haber pocas cosas ya que nos sorprendieran, pero las hay y son muy interesantes.

Cuando decimos que el estaño es un metal, realmente lo que estamos es refiriéndonos a una de las dos formas en las que el estaño organiza sus átomos, la que llamamos estaño-beta. El estaño-beta o estaño blanco es estable a temperaturas medias y altas, y presenta las características de un metal: entre otras cosas es maleable y conduce la electricidad. Podemos acuñar monedas con él, por ejemplo.

Pero si la temperatura baja demasiado (por debajo de 13 ºC) el estaño cambia su estructura cristalina por la del diamante, volviéndose quebradizo y deja de ser conductor. Este llamado estaño-alfa o estaño gris ha dejado de tener las características de un metal. De hecho este cambio de características es lo que se conoce como peste o lepra del estaño. Lo entenderemos mejor si vemos este vídeo en el que un trozo de estaño alfa si se mantiene a -40 ºC durante 20 horas, convirtiéndose en estaño beta; no ocurre ninguna reacción química (el vídeo dura 30 segundos):

Damos un salto a la vanguardia de la ingeniería de materiales. Los llamados semimetales topológicos de Dirac presentan las propiedades electrónicas del grafeno pero, mientras que en éste están confinadas a 2 dimensiones, en los semimetales topológicos de Dirac aparecen en 3D. Hasta ahora los dos únicos semimetales topológicos de Dirac conocidos eran muestras de al menos dos elementos. Ahora un grupo de investigadores encabezado por Cai-Zhi Xu, de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign (EE.UU.), ha descubierto el comportamiento de un semimetal topológico de Dirac precisamente en el estaño alfa con solo aplicarle un poquito de tensión.

En el grafeno, y materiales 2D relacionados, la estructura de bandas electrónica alberga una regiones que tienen forma de cono, en las que los estados electrónicos se comportan como si careciesen de masa. Estos estados, excitaciones de baja energía llamadas fermiones de Dirac, están confinados de forma característica a dos dimensiones, como la dada por una lámina de grafeno o por la superficie de un aislante topológico. Pero en los semimetales topológicos de Dirac los fermiones pueden moverse en tres dimensiones. Esta libertad de movimientos abre todo un abanico de propiedades interesantes, como una gigantesca magnetorresistencia lineal y un patrán característico en las oscilaciones cuánticas de la resistencia. Hasta ahora solo se conocían dos semimetales topológicos de Dirac: Na3Bi y Cd3As2.

Estructura electrónica del estaño beta bajo tensión en la que se aprecian los conos de Dirac.

Existían estudios recientes que indicaban que el estaño alfa podría presentar fermiones de Dirac si se sometía a una tensión mecánica. Xu y sus colegas muy ingeniosamente hicieron crecer capas de estaño alfa en una superficie de antimoniuro de indio, que tiene casi la misma estructura de diamante que el estaño alfa. La pequeña diferencia entre las dos estructuras produce una tensión negativa (una compresión) en el estaño. Usando espectroscopía de fotoemisión el equipo pudo comprobar que, efectivamente, existían regiones con forma de cono indicando que estaban ante un semimetal topológico de Dirac. Los cálculos teóricos indican que un cambio de la tensión de negativa a positiva convertiría el estaño en un aislante topológico.

Una primera prueba de principio, en un producto barato y fácil de obtener, con unas características con un gran potencial que puede que veamos concretarse en aplicaciones dentro de unos años.

Referencia:

Cai-Zhi Xu et al (2017) Elemental Topological Dirac Semimetal: α-Sn on InSb(111) Phys. Rev. Lett. doi: 10.1103/PhysRevLett.118.146402

Sobre el autor: César Tomé López es divulgador científico y editor de Mapping Ignorance

Este texto es una colaboración del Cuaderno de Cultura Científica con Next

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