web analytics

Posts etiquetados con ‘espín’

Premio Fronteras del Conocimiento Fundación BBVA a los descubridores de los aislantes topológicos

De nuevo la topología, esa rama de las matemáticas que se ocupa de estudiar aquellas propiedades que no cambian cuando un espacio se deforma sin romperse, está detrás de un apasionante descubrimiento en la ciencia de materiales.

Si en 2016 los británicos David J. Thouless (Profesor Emérito en la University of Washington, Seattle, WA, USA), F. Duncan M. Haldane (Eugene Higgins Professor of Physics en la Princeton University, NJ, USA) y J. Michael Kosterlitz (Harrison E. Farnsworth Professor of Physics en Brown University, Providence, RI, USA), recibieron el Premio Nobel por el uso de conceptos topológicos para explicar la superconductividad (veáse El desayuno del topólogo), ahora la Fundación BBVA premia a los norteamericanos Charles Kane (Urbana, Illinois, EEUU, 1963) y Eugene Mele (Filadelfia, Pensilvania, EEUU, 1950), por su descubrimiento de los aislantes topológicos, una nueva clase de materiales que se comportan como conductores en su superficie, pero como aislantes en su interior.

Como se informa en la nota de prensa de la Fundación BBVA, la inspiración para su descubrimiento vino del estudio de un material que ha surgido como un nuevo paradigma, el grafeno. Ambos investigadores descubrieron que el grafeno (que se presenta en láminas tan finas que su espesor es de un átomo)  poseían propiedades que estaban entre un estado intermedio entre el de conductor y el de aislante. La clasificación entre materiales conductores y aislantes quedab rota, podría haber materiales que se comportaran como aislantes en su interior pero que fueran conductores en su superficie.

Kane y Mele no solo hicieron el estudio teórico sino que también diseñaron el método para construirlos en el laboratorio. En principio eran materiales “bidimensionales” como el grafeno, pero más tarde se encontraron materiales tridimensionales e incluso en la Naturaleza. Habían nacido los llamados “aislantes topológicos”.

Estos materiales admiten un flujo de electrones en su superficie (por lo tanto, pueden darse corrientes eléctricas), debido a ciertas propiedades de simetría temporal. Debe pensarse que estos materiales no son amorfos, sino lo que se llaman cristales, es decir, poseen una estructura reticular perfectamente ordenada. En el siguiente video se puede encontrar una rápida y sencilla explicación de lo que es un aislante topológico:

Imagen de previsualización de YouTube

Recordemos que los electrones tienen una naturaleza ondulatoria caracterizada por una función de onda que al moverse dentro de un cristal obliga a una coordinación de manera que la función de onda, salvo una fase, debe coincidir en cada nodo del retículo cristalino. Existe así una banda de energías permitidas (la banda de Brilluin) que por periodicidad podemos unir los extremos y obtener un toro topológico. A los rangos de energía en que no pueden estar los electrones se les llama bandas prohibidas. Y ahora interviene el efecto Hall cuántico. Pensemos en un material bidimensional sujeto a un campo magnético fuerte: la superficie no será conductora pero sí su borde: Ese es el efecto Hall. Y esto es una protección que llamamos topológica de la misma manera que el agujero del donut se mantiene, porque es una propiedad global, topológica. En los aislantes topológicos, el papel del campo magnético lo desempeña el espín (la “rotación” del electrón).

La importancia de estos materiales es que son robustos frente a deformaciones, a causa de esa “protección topológica”, y se espera de ellos una gran cantidad de aplicaciones en la llamada espintrónica así como en la construcción de ordenadores cuánticos.

 

Biografías de los premiados (proporcionada por la Fundación BBVA)

Charles Kane

Charles kane (cortesía de la FBBVA)

Charles Kane (Urbana, Illinois, 1963) se licenció en Física en la Universidad de Chicago en 1985 y se doctoró en el Instituto Tecnológico de Massachusetts en 1989. Durante tres años llevó a cabo investigación posdoctoral en el Centro de Investigación T. J. Watson de IBM, en Nueva York. En 1991 se incorporó a la Universidad de Pensilvania como profesor adjunto en el Departamento de Física y Astronomía. Desde entonces ha desarrollado su carrera académica e investigadora en esa universidad hasta alcanzar, en 2016, el puesto que hoy ocupa en la Facultad de Artes y Ciencias: Christopher H. Browne Distinguished Professor en Física. Kane es autor de casi un centenar de papers -veintiocho de ellos en colaboración con Eugene Mele- y ponente habitual en conferencias y congresos internacionales.

Eugene Mele

Eugene Mele (Filadelfia, Pensilvania, EEUU, 1950) se licenció en Física por la Universidad de St. Joseph (Filadelfia) en 1972 y en esa misma disciplina obtuvo su doctorado en 1978 en el Instituto Tecnológico de Massachusetts. En los inicios de su carrera profesional trabajó como científico asociado en el Centro de Investigación que la empresa Xerox tiene en Webster (Nueva York). Desde 1981 y hasta la actualidad ha desempeñado diversos cargos en el Departamento de Física y Astronomía de la Universidad de Pensilvania: profesor adjunto desde 1981 hasta 1985; profesor titular entre 1985 y 1989; y catedrático entre 1989 y 2017. Desde 2017 y hasta la fecha, ocupa el cargo de Christopher H. Browne Distinguished Professor en el mismo departamento de dicha universidad. A lo largo de su trayectoria ha publicado 180 artículos de investigación en revistas de prestigio y además es revisor de publicaciones como Science, Nature, American Journal of Physics o Physical Review Letters, entre otras. Ha sido también organizador de numerosos simposios, conferencias y congresos sobre Física desde 1998. En 2001 fue elegido miembro de la Sociedad Americana de Física.

____

Manuel de León (CSIC, Fundador del ICMAT, Real Academia de Ciencias, Real Academia Canaria de Ciencias).

Etiquetas: , , ,
Categorias: General