Los investigadores han descubierto cómo identificar nuevos ejemplos de materiales topológicos, que tienen propiedades electrónicas únicas y deseables. La técnica consiste en encontrar la conexión entre la teoría de bandas, que describe los niveles de energía de los electrones en un sólido, con la naturaleza topológica de un material. En la imagen, la falta de conexión entre las dos bandas indica que el material es un aislante topológico. Crédito: Naturaleza .
Un equipo internacional de investigadores ha encontrado una manera de determinar si un cristal es un aislante topológico y de predecir las estructuras cristalinas y las composiciones químicas en las que pueden surgir otras nuevas. Los resultados, publicado el 20 de julio en la revista Naturaleza , muestran que los aislantes topológicos son mucho más comunes en la naturaleza de lo que se cree actualmente.
Materiales topológicos, que son prometedores para una amplia gama de aplicaciones tecnológicas debido a sus exóticas propiedades electrónicas, han atraído un gran interés teórico y experimental durante la última década, culminando con el Premio Nobel de Física 2016. Las propiedades electrónicas de los materiales incluyen la capacidad de la corriente para fluir sin resistencia y responder de formas no convencionales a los campos eléctricos y magnéticos.
Hasta ahora, sin embargo, el descubrimiento de nuevos materiales topológicos se produjo principalmente por ensayo y error. El nuevo enfoque descrito esta semana permite a los investigadores identificar una gran serie de nuevos aislantes topológicos potenciales. La investigación representa un avance fundamental en la física de los materiales topológicos y cambia la forma en que se entienden las propiedades topológicas.
El equipo incluía:en la Universidad de Princeton, Barry Bradlyn y Jennifer Cano, ambos investigadores asociados en el Centro de Ciencias Teóricas de Princeton, Zhijun Wang, un investigador asociado postdoctoral, y B. Andrei Bernevig, profesor de física; los profesores Luis Elcoro y Mois Aroyo de la Universidad del País Vasco en Bilbao; la profesora asistente Maia García Vergniory de la Universidad del País Vasco y Centro Internacional de Física de Donostia (DIPC) en España; y Claudia Felser, profesor del Instituto Max Planck de Física Química de Sólidos en Alemania.
"Nuestro enfoque permite una forma mucho más sencilla de encontrar materiales topológicos, evitando la necesidad de cálculos detallados, "Felser dijo." Para algunas celosías especiales, podemos decir eso, independientemente de si un material es un aislante o un metal, algo topológico estará sucediendo, "Añadió Bradlyn.
Hasta ahora, de los aproximadamente 200, 000 materiales catalogados en bases de datos de materiales, solo se sabe que unos pocos cientos albergan comportamiento topológico, según los investigadores. "Esto planteó la pregunta al equipo:¿Son los materiales topológicos realmente tan escasos? ¿O esto simplemente refleja una comprensión incompleta de los sólidos? ", dijo Cano.
Descubrir, los investigadores recurrieron a la teoría de bandas de sólidos de casi un siglo, considerado uno de los primeros logros históricos de la mecánica cuántica. Iniciado por el físico nacido en Suiza Felix Bloch y otros, la teoría describe que los electrones de los cristales residen en niveles de energía específicos conocidos como bandas. Si todos los estados de un grupo de bandas están llenos de electrones, entonces los electrones no pueden moverse y el material es un aislante. Si algunos de los estados están desocupados, entonces los electrones pueden moverse de un átomo a otro y el material es capaz de conducir una corriente eléctrica.
Debido a las propiedades de simetría de los cristales, sin embargo, los estados cuánticos de los electrones en los sólidos tienen propiedades especiales. Estos estados pueden describirse como un conjunto de bandas interconectadas caracterizadas por su impulso, energía y forma. Las conexiones entre estas bandas, que en un gráfico se asemejan a hebras de espagueti enredadas, dan lugar a comportamientos topológicos como los de los electrones que pueden viajar sobre superficies o bordes sin resistencia.
El equipo utilizó una búsqueda sistemática para identificar muchas familias no descubiertas previamente de materiales topológicos candidatos. El enfoque combinó herramientas de campos tan dispares como la química, matemáticas, ciencia física y de los materiales.
Primero, el equipo caracterizó todas las posibles estructuras de bandas electrónicas que surgen de los orbitales electrónicos en todas las posibles posiciones atómicas para todos los posibles patrones de cristal, o grupos de simetría, que existen en la naturaleza, a excepción de los cristales magnéticos. Para buscar bandas topológicas, el equipo primero encontró una manera de enumerar todas las bandas no topológicas permitidas, en el entendido de que todo lo que quede fuera de la lista debe ser topológico. Usando herramientas de la teoría de grupos, el equipo organizó en clases todas las posibles estructuras de bandas no topológicas que pueden surgir en la naturaleza.
Próximo, Al emplear una rama de las matemáticas conocida como teoría de grafos, el mismo enfoque utilizado por los motores de búsqueda para determinar los enlaces entre sitios web, el equipo determinó los patrones de conectividad permitidos para todas las estructuras de bandas. Las bandas pueden separarse o conectarse entre sí. Las herramientas matemáticas determinan todas las posibles estructuras de bandas en la naturaleza, tanto topológicas como no topológicas. Pero habiendo enumerado ya los no topológicos, el equipo pudo mostrar qué estructuras de bandas son topológicas.
Al observar las propiedades de simetría y conectividad de diferentes cristales, el equipo identificó varias estructuras cristalinas que, en virtud de su conectividad de banda, debe albergar bandas topológicas. El equipo ha puesto a disposición del público todos los datos sobre bandas no topológicas y conectividad de bandas a través del Servidor Cristalográfico de Bilbao. "Con estas herramientas, junto con nuestros resultados, investigadores de todo el mundo pueden determinar rápidamente si un material de interés puede ser topológico, "Dijo Elcoro.
La investigación muestra que la simetría, topología, La química y la física tienen un papel fundamental que desempeñar en nuestra comprensión de los materiales, Dijo Bernevig. "La nueva teoría incorpora dos ingredientes que antes faltaban, topología de banda e hibridación orbital, en la teoría de Bloch y proporciona un camino prescriptivo para el descubrimiento y caracterización de metales y aislantes con propiedades topológicas ".
David Vanderbilt, un profesor de física y astronomía en la Universidad de Rutgers que no participó en el estudio, llamó el trabajo notable. "La mayoría de nosotros pensamos que pasarían muchos años antes de que las posibilidades topológicas pudieran catalogarse de manera exhaustiva en este enorme espacio de clases de cristales, ", Dijo Vanderbilt." Es por eso que el trabajo de Bradlyn y sus compañeros de trabajo es tan sorprendente. Han desarrollado un notable conjunto de principios y algoritmos que les permiten construir este catálogo de un solo golpe. Es más, han combinado su enfoque teórico con métodos de búsqueda de bases de datos de materiales para hacer predicciones concretas de una gran cantidad de nuevos materiales aislantes topológicos ".
Los fundamentos teóricos de estos materiales, llamados "topológicos" porque se describen por propiedades que permanecen intactas cuando un objeto se estira, torcido o deformado, condujo a la concesión del Premio Nobel de Física en 2016 a F. Duncan M. Haldane, Profesor de Física de la Universidad Sherman Fairchild de la Universidad de Princeton, J. Michael Kosterlitz de la Universidad de Brown, y David J. Thouless de la Universidad de Washington.
La química y la física adoptan diferentes enfoques para describir materiales cristalinos, en el que los átomos se presentan en patrones o simetrías ordenados regularmente. Los químicos tienden a centrarse en los átomos y las nubes de electrones que los rodean, conocidos como orbitales. Los físicos tienden a centrarse en los electrones mismos, que pueden transportar corriente eléctrica cuando saltan de un átomo a otro y se describen por su momento.
"Este simple hecho, que la física de los electrones generalmente se describe en términos de cantidad de movimiento, mientras que la química de los electrones generalmente se describe en términos de orbitales electrónicos, ha dejado el descubrimiento de materiales en este campo a merced del azar, "Dijo Wang.
"Inicialmente nos propusimos comprender mejor la química de los materiales topológicos, para comprender por qué algunos materiales tienen que ser topológicos, "Dijo Vergniory.
Aroyo agregado, "Lo que salió fue, sin embargo, mucho más interesante:una forma de casarse con la química, física y matemática que agrega el último ingrediente faltante en una teoría centenaria de la electrónica, y en la búsqueda actual de materiales topológicos ".
