Los denominados aislantes topológicos son aquellos materiales que son aislantes a granel, es decir., aquellos que no permiten corrientes eléctricas en su volumen, pero que son conductores en sus superficies. A diferencia de los conductores habituales, es decir, rieles, la corriente eléctrica que circula en un aislante topológico no sufre ninguna pérdida de energía. Esta propiedad abre grandes posibilidades de aplicación en electrónica, ya que permitiría la fabricación de más eficientes, Dispositivos más rápidos y de bajo consumo energético. Este es un objetivo tan deseable como necesario en el escenario actual de rápido avance de la demanda energética a nivel mundial, que amenaza nuestro medio ambiente. Por esa misma razón, el descubrimiento de aislantes topológicos hace aproximadamente una década provocó un auge de la investigación mundial en los campos de la nanotecnología y la física de la materia condensada.

Teniendo en cuenta las aplicaciones tecnológicas, por ejemplo en tecnologías de la información, Uno de los retos durante estos años de intensa investigación ha sido la creación de un aislante topológico magnético. Hasta aquí, Los aislantes topológicos magnéticos solo habían sido creados por la llamada ruta extrínseca, que consiste en dopar aislantes topológicos no magnéticos con átomos magnéticos. Sin embargo, gracias al esfuerzo de un grupo de investigadores del Centro de Física de Materiales (CFM, Centro común CSIC-UPV / EHU), Centro Internacional de Física de Donostia (DIPC) y Universidad del País Vasco (UPV / EHU), ahora es posible hacer crecer un aislante topológico magnético intrínseco, es decir, uno que tiene propiedades magnéticas por su propia naturaleza.

El equipo que incluye a los investigadores del DIPC Mikhail Otrokov (CFM Ikerbasque Research Fellow), Evgueni Chulkov (UPV / EHU, Premio Euskadi de Investigación 2019), María Blanco Rey (UPV / EHU) y Pedro M. Echenique (UPV / EHU, Presidente de la DIPC), ha predicho teóricamente el primer aislante topológico magnético intrínseco, con fórmula química MnBi ₂ Te ₄ . La clave del éxito de esta predicción ha sido la gran experiencia que tiene este grupo de científicos en los campos de los aislantes topológicos. magnetismo y ciencia de los materiales en general. El becario Ikerbasque y líder de esta investigación, Mikhail Otrokov, afirma que "trabajos previos de diferentes enfoques nos llevaron a la conclusión de que la ruta intrínseca era la única factible en la actualidad. Entonces, dirigimos nuestros esfuerzos a encontrar un aislante topológico magnético intrínseco basado en nuestra experiencia previa. Gracias a ello, sabíamos qué estructura cristalina y composición atómica debería tener tal material ".

Donostia (País Vasco, España) no es solo el lugar donde se ha llevado a cabo la predicción teórica de este primer aislante topológico magnético, pero también ha sido el campo base desde donde se ha coordinado su confirmación experimental. Este trabajo ha involucrado a expertos en diferentes áreas, de los principales centros de investigación de Rusia, Azerbaiyán, Alemania, Austria, Japón, Italia y EE.UU .. Los resultados de este estudio se publican esta semana en la prestigiosa revista Naturaleza . Otrokov ha explicado que para la confirmación experimental, el primer paso fue la síntesis de los cristales compuestos por los expertos en síntesis química. Una vez sintetizado, las muestras se sometieron a una multitud de experimentos de caracterización:estructurales, magnético, electrónico, de transporte, de composición atómica, etc., hasta que se observaron y verificaron las características predichas.

Los resultados del estudio, que ya había sido difundido a través de un servidor de acceso abierto y conferencias impartidas por los autores en conferencias internacionales, han sido bien recibidos por la comunidad científica internacional. En la actualidad, MnBi ₂ Te ₄ y otros materiales basados ​​en él se estudian en varios centros de investigación, los de EE. UU. y China que muestran la actividad más intensa.

"MnBi ₂ Te ₄ , además de ser un aislante topológico magnético intrínseco, ha resultado ser antiferromagnético, tal como lo habíamos calculado, Blanco nos dice. El antiferromagnetismo consiste en un orden magnético a escala atómica, de tal manera que el material carece de magnetización neta. Como resultado, estos materiales son mucho más robustos frente a las perturbaciones de los imanes.

Este cristal compuesto de Manganeso (Mn), El bismuto (Bi) y el telurio (Te) tienen un gran potencial tanto a nivel fundamental como tecnológico. Es extremadamente rico en propiedades exóticas, por ejemplo, como los diversos efectos Hall, incluidos los cuánticos, algunos de los cuales se utilizan en la calibración de constantes físicas por su precisión excepcional. Además, MnBi ₂ Te ₄ se puede utilizar para crear el llamado fermión de Majorana. Este es un tipo de partícula, una cuasipartícula para ser exactos, que ha sido considerada la piedra angular de la computación cuántica.

Igualmente, MnBi ₂ Te ₄ es el primer material intrínseco para el que se predice una respuesta electromagnética muy similar a la de un axión. Un axión es una partícula hipotética postulada en el marco de la cromodinámica cuántica, y es un buen candidato para resolver el problema de la materia oscura. Es por eso que existen muchos experimentos dirigidos precisamente a detectar señales de comportamiento de tipo axión en la familia de este compuesto.

En cuanto a las aplicaciones prácticas, Ya se han patentado varios dispositivos basados ​​en aislantes topológicos magnéticos. Por ejemplo, MnBi ₂ Te ₄ podría utilizarse en dispositivos de interconexión quiral, que prometen un rendimiento superior a las conexiones de cobre ordinarias que se utilizan actualmente en los circuitos integrados disponibles comercialmente. Algunas otras aplicaciones incluyen moduladores ópticos, sensores de campo magnético y elementos de memoria.

Los investigadores que trabajan en Donostia, junto con su red de colaboradores internacionales, espera poder observar en MnBi ₂ Te ₄ algunos de los fenómenos exóticos mencionados anteriormente, y descubra nuevos aislantes topológicos magnéticos intrínsecos con propiedades incluso superiores a las de MnBi ₂ Te ₄ .