Durante la última década, los científicos han buscado aislantes topológicos, materiales que son aislantes en el interior pero que conducen corriente en sus superficies. Aunque se predijo por primera vez alrededor de 2005, se han encontrado muy pocos ejemplos del mundo real hasta la fecha. Se espera que los aisladores topológicos tengan una amplia gama de aplicaciones, incluida la electrónica de eficiencia energética y la computación cuántica, sus propiedades especiales permiten que la corriente superficial fluya libremente incluso en presencia de defectos o perturbaciones.

Hasta ahora, los científicos han buscado aislantes topológicos entre cristales u otros materiales cuyos átomos están dispuestos de manera regular. Un nuevo estudio sin embargo, predice que los aislantes topológicos también se pueden encontrar entre los materiales amorfos, como algunas formas de vidrio, en el que los átomos están dispuestos aleatoriamente.

La predicción, basado en modelos de computadora, abre nuevas vías en la búsqueda de estos materiales. "Ahora hay muchas más oportunidades para encontrar aisladores topológicos, "dice el autor principal Vijay Shenoy del Instituto Indio de Ciencia (IISc). Los aislantes topológicos amorfos también pueden ser más fáciles de fabricar que los cristalinos, que requieren controles estrictos, él sugiere. Shenoy y el estudiante de posgrado Adhip Agarwala llevaron a cabo el estudio publicado en Cartas de revisión física .

Los aislantes topológicos deben sus capacidades superiores a la presencia de estados de energía especiales en sus superficies. Para que la corriente fluya en un material, los electrones necesitan saltar del estado de energía de la banda de valencia a un estado superior llamado banda de conducción. Si el espacio entre las bandas es muy grande, como se encuentra en los aisladores normales, los electrones no pueden saltar y la corriente no fluye. En el interior, Los aisladores topológicos tienen una gran banda prohibida y no conducen corriente. En su superficie, sin embargo, los electrones ocupan ciertos estados de "intervalo medio" entre las bandas de valencia y conducción, lo que les permite llevar corriente.

Cuando estos materiales se predijeron por primera vez, la teoría se basaba en el supuesto de que la estructura del material debe ser cristalina, dice Shenoy. "Después de hurgar un poco, Descubrimos que esta no es una suposición crucial. No es condición necesaria para obtener una fase topológica, " él dice.

Shenoy y Agarwala utilizaron modelos informáticos para "construir" estructuras 2-D y 3-D en las que los sitios están dispuestos al azar y los electrones pueden saltar entre ellos. Luego, ajustaron ciertos parámetros, como la distancia entre sitios y el espacio entre bandas de energía. Bajo ciertas condiciones, encontraron que los materiales mostraban estados de brecha media en la superficie y otras firmas matemáticas encontradas en aislantes topológicos, a pesar de su estructura aleatoria.

"La gente solo ha estado mirando materiales cristalinos. Y no han encontrado muy buenos aislantes topológicos, "dice Agarwala." Incluso en teoría, la gente ahora puede ver muchos, muchas sustancias, no solo materiales amorfos. Hemos mostrado para el 'peor escenario' donde la estructura es completamente aleatoria. Podemos pensar en muchos más materiales entre cristalinos y amorfos, y pregunte si pueden existir aisladores topológicos ".

Los investigadores también podrían buscar otras formas de fabricar aislantes topológicos, sugieren los autores. Una posibilidad, por ejemplo, consiste en añadir aleatoriamente átomos con niveles de energía adecuados a la superficie de un aislante existente para dar lugar a estados topológicos.

Los aislantes topológicos tienen propiedades especiales que los hacen atractivos para la electrónica. Por ejemplo, la dirección en la que giran los electrones de la superficie está bloqueada en la dirección en la que se mueven. Este bloqueo evita que los defectos o las impurezas cambien el espín del electrón y, por lo tanto, lo desvíen de su trayectoria. minimizando así la pérdida de corriente.

"Una de las áreas activas de la física de la materia condensada y la ciencia de los materiales es encontrar tales materiales, "dice Shenoy." Si se encuentra, será un descubrimiento importante y podría impulsar la próxima ronda de productos electrónicos ".