Un estudio internacional con participación española contradice la suposición de hace 40 años de que los materiales topológicos son raros y exóticos
Un equipo internacional de investigación, dirigido por el Donostia International Physics Center (DIPC) y la Universidad de Princeton, ha descubierto que casi todos los materiales de la naturaleza presentan al menos un estado topológico, lo que contradice la suposición de hace 40 años de que los materiales topológicos son raros y exóticos. En un artículo publicado esta semana en Science, el equipo también introduce el nuevo concepto de "supertopológico" en la teoría de la topología de bandas.
La topología es una propiedad física de algunos materiales que se distingue por estados inusualmente robustos, “que hacen que las propiedades electrónicas de sus superficies y bordes expuestos sean insensibles a las perturbaciones locales —explica la investigadora del DIPC Maia García-Vergniory, una de las principales autoras del estudio—. Esta invariabilidad intrínseca convierte a los materiales topológicos en excelentes candidatos para observar efectos como la interconversión de la corriente eléctrica y el espín de los electrones, o para simular teorías exóticas de la física de altas energías, e incluso, en las condiciones adecuadas, para almacenar y manipular información cuántica. El potencial de los materiales topológicos es abrumador”.
Hasta hace poco, se habían descubierto un puñado de materiales topológicos a través de la intuición química y se consideraba que los estados electrónicos topológicos eran como una aguja en un pajar. Sin embargo, un equipo científico internacional del Donostia International Physics Center (DIPC), la Universidad de Princeton, la Universidad del País Vasco (UPV/EHU), el Instituto Max Planck, l'Ecole Normale Supérieure, el CNRS y el MIT ha descubierto, utilizando un modelo computacional de alto rendimiento, que más de la mitad de los materiales 3D conocidos en la naturaleza son topológicos y que casi el 90 % albergan estados topológicos latentes.
Tal y como publica la revista Science, el equipo realizó cálculos completos de alto rendimiento para buscar estados topológicos en las estructuras electrónicas de los 96.196 materiales cristalinos existentes en el repositorio internacional donde se registran todos los materiales estudiados experimentalmente. Los investigadores afirman que "fue una tarea ingente que requirió más de 25 millones de horas de cálculo". Mediante un análisis químico y topológico combinado, el equipo ha agrupado las estructuras electrónicas en unos 38.000 materiales topológicos y los ha puesto a disposición de la comunidad científica a través de la base de datos Topological Materials Database. Todo ello representa la culminación de los esfuerzos que el equipo ha realizado durante los últimos 6 años en el desarrollo de la nueva teoría de posición-espacio en bandas topológicas conocida como "Química Cuántica Topológica".
Materiales supertopológicos
Casi tan sorprendente como el hallazgo de propiedades topológicas en casi todos los materiales, fue el descubrimiento de algunos casos extremos de topología en todo el espectro energético. "Observando nuestros datos, sorprendentemente vimos que ciertos materiales tienen propiedades topológicas en todas partes", exclama la doctora García-Vergniory, quien además de pertenecer al DIPC es investigadora del Instituto Max Planck de Física Química de los Sólidos. El equipo descubrió que el 2 % de los materiales conocidos son supertopológicos, es decir, que todas las bandas electrónicas son topológicas. Entre los materiales con supertopología ignorada está el bismuto, uno de los materiales de estado sólido más estudiados históricamente. "Nuestros resultados indican que la topología es una propiedad fundamental de la materia que hasta ahora se había pasado por alto", concluye García-Vergniory.
La ubicuidad de los rasgos topológicos observados en las simulaciones numéricas lleva a una cuestión natural: teniendo en cuenta estos resultados, los rasgos experimentales de los estados topológicos ya deberían haberse observado en investigaciones anteriores de muchos materiales. El equipo, tras analizar datos de experimentos de fotoemisión previos, descubrió que así era. Por ejemplo, en algunos estudios experimentales anteriores, los autores observaron "resonancias superficiales" inexplicables, que en el estudio actual se han reconocido como estados topológicos superficiales pasados por alto. "Las pruebas siempre habían estado ahí. Ahora tenemos una clave concreta para descifrar todas las características de la superficie en los experimentos espectroscópicos de materiales —señala el equipo de investigación—. Nuestra base de datos es una herramienta muy potente y cómoda. Si me interesa una propiedad topológica, la base de datos me indica al instante cuáles son los mejores candidatos. Entonces, sólo tengo que sintetizar las muestras en mi laboratorio, sin más conjeturas".
"Revisar experimentos anteriores con una nueva perspectiva es un primer paso sorprendente —añade Andrei Bernevig, de la Universidad de Princeton y profesor visitante Ikerbasque en el DIPC—. Pero podemos mirar hacia un futuro aún más emocionante, en el que los materiales con funcionalidad avanzada se diseñan a través de un matrimonio entre la intuición humana y la inteligencia artificial, construido sobre la Base de Datos de Materiales Topológicos y la Química Cuántica Topológica".
