Imagen. / Créditos: Imagen: Christine Daniloff, MIT

¿Qué se necesita para que nuestra electrónica sea más inteligente, más rápida y más resistente? Una idea es construirlos a partir de materiales que sean topológicos.

La topología proviene de una rama de las matemáticas que estudia las formas que se pueden manipular o deformar sin perder ciertas propiedades fundamentales. Una dona es un ejemplo común: si estuviera hecha de goma, una dona podría torcerse y apretarse en una forma completamente nueva, como una taza de café, conservando una característica clave, a saber, su orificio central, que toma la forma de el asa de la copa. El hueco, en este caso, es un rasgo topológico, robusto frente a determinadas deformaciones.

En los últimos años, los científicos han aplicado conceptos de topología al descubrimiento de materiales con propiedades electrónicas igualmente sólidas. En 2007, los investigadores predijeron los primeros aisladores topológicos electrónicos: materiales en los que los electrones se comportan de manera "protegida topológicamente" o persistentes frente a ciertas interrupciones.

Desde entonces, los científicos han buscado más materiales topológicos con el objetivo de construir dispositivos electrónicos mejores y más robustos. Hasta hace poco, solo se identificaba un puñado de estos materiales y, por lo tanto, se suponía que eran una rareza.

Ahora, los investigadores del MIT y de otros lugares han descubierto que, de hecho, los materiales topológicos están en todas partes, si sabes cómo buscarlos.

En un artículo publicado hoy en Science , el equipo, dirigido por Nicolas Regnault de la Universidad de Princeton y la École Normale Supérieure Paris, informa que aprovecha el poder de múltiples supercomputadoras para mapear la estructura electrónica de más de 96,000 materiales cristalinos naturales y sintéticos. Aplicaron filtros sofisticados para determinar si y qué tipo de rasgos topológicos existen en cada estructura.

En general, encontraron que el 90 por ciento de todas las estructuras cristalinas conocidas contienen al menos una propiedad topológica, y más del 50 por ciento de todos los materiales naturales exhiben algún tipo de comportamiento topológico.

"Descubrimos que hay una ubicuidad: la topología está en todas partes", dice Benjamin Wieder, codirector del estudio y posdoctorado en el Departamento de Física del MIT.

El equipo ha compilado los materiales recién identificados en una nueva base de datos de materiales topológicos de libre acceso que se asemeja a una tabla periódica de topología. Con esta nueva biblioteca, los científicos pueden buscar rápidamente materiales de interés por cualquier propiedad topológica que puedan tener y aprovecharlos para construir transistores de potencia ultrabaja, nuevo almacenamiento de memoria magnética y otros dispositivos con propiedades electrónicas sólidas.

El artículo incluye a la coautora principal Maia Vergniory del Centro Internacional de Física de Donostia, Luis Elcoro de la Universidad del País Vasco, Stuart Parkin y Claudia Felser del Instituto Max Planck, y Andrei Bernevig de la Universidad de Princeton.

Más allá de la intuición

El nuevo estudio fue motivado por el deseo de acelerar la búsqueda tradicional de materiales topológicos.

"La forma en que se encontraron los materiales originales fue a través de la intuición química", dice Wieder. “Ese enfoque tuvo muchos éxitos iniciales. Pero como teóricamente predijimos más tipos de fases topológicas, parecía que la intuición no nos estaba llevando muy lejos”.

En cambio, Wieder y sus colegas utilizaron un método eficiente y sistemático para eliminar signos de topología, o comportamiento electrónico robusto, en todas las estructuras cristalinas conocidas, también conocidas como materiales inorgánicos en estado sólido.

Para su estudio, los investigadores consultaron la base de datos de estructuras cristalinas inorgánicas, o ICSD, un depósito en el que los investigadores ingresan las estructuras atómicas y químicas de los materiales cristalinos que han estudiado. La base de datos incluye materiales que se encuentran en la naturaleza, así como aquellos que han sido sintetizados y manipulados en el laboratorio. El ICSD es actualmente la base de datos de materiales más grande del mundo y contiene más de 193 000 cristales cuyas estructuras han sido mapeadas y caracterizadas.

El equipo descargó todo el ICSD y, después de realizar una limpieza de datos para eliminar estructuras con archivos dañados o datos incompletos, los investigadores se quedaron con poco más de 96 000 estructuras procesables. Para cada una de estas estructuras, realizaron una serie de cálculos basados ​​en el conocimiento fundamental de la relación entre los constituyentes químicos, para producir un mapa de la estructura electrónica del material, también conocida como estructura de banda de electrones.

El equipo pudo llevar a cabo de manera eficiente los complicados cálculos para cada estructura utilizando múltiples supercomputadoras, que luego emplearon para realizar un segundo conjunto de operaciones, esta vez para detectar varias fases topológicas conocidas o comportamiento eléctrico persistente en cada material de cristal.

“Estamos buscando firmas en la estructura electrónica en las que deberían ocurrir ciertos fenómenos robustos en este material”, explica Wieder, cuyo trabajo anterior implicó refinar y expandir la técnica de detección, conocida como química cuántica topológica.

A partir de su análisis de alto rendimiento, el equipo descubrió rápidamente una cantidad sorprendentemente grande de materiales que son naturalmente topológicos, sin ninguna manipulación experimental, así como materiales que pueden manipularse, por ejemplo, con luz o dopaje químico, para exhibir algún tipo de solidez. comportamiento electrónico. También descubrieron un puñado de materiales que contenían más de un estado topológico cuando se exponen a ciertas condiciones.

“Las fases topológicas de la materia en materiales de estado sólido 3D se han propuesto como lugares para observar y manipular efectos exóticos, incluida la interconversión de la corriente eléctrica y el espín de los electrones, la simulación de teorías exóticas de la física de alta energía e incluso, bajo el condiciones adecuadas, el almacenamiento y la manipulación de información cuántica”, señala Wieder. 

Para los experimentadores que están estudiando tales efectos, Wieder dice que la nueva base de datos del equipo ahora revela una colección de nuevos materiales para explorar.

Esta investigación fue financiada, en parte, por el Departamento de Energía de EE. UU., la Fundación Nacional de Ciencias y la Oficina de Investigación Naval.

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