En un gran paso adelante para un área de investigación que ganó el Premio Nobel de Física 2016, un equipo internacional ha descubierto que las sustancias con comportamientos electrónicos exóticos llamadas materiales topológicos son de hecho bastante comunes, e incluyen elementos cotidianos como el arsénico y el oro. El equipo creó un catálogo en línea para facilitar el diseño de nuevos materiales topológicos utilizando elementos de la tabla periódica.

Estos materiales tienen propiedades inesperadas y extrañas que han cambiado la comprensión de los científicos sobre cómo se comportan los electrones. Los investigadores esperan que estas sustancias puedan formar la base de las tecnologías del futuro, como dispositivos de baja potencia y computación cuántica.

"Una vez que se realizó el análisis y se corrigieron todos los errores, el resultado fue asombroso:más de una cuarta parte de todos los materiales exhiben algún tipo de topología, "dijo B. Andrei Bernevig, autor principal del artículo y profesor de física en Princeton. "La topología es omnipresente en los materiales, no esotérico ".

Los materiales topológicos son intrigantes porque sus superficies pueden conducir electricidad sin resistencia, por lo que son potencialmente más rápidas y energéticamente más eficientes que las tecnologías actuales. Su nombre proviene de una teoría subyacente que se basa en la topología, una rama de las matemáticas que describe los objetos por su capacidad para estirarse o doblarse.

Los inicios de la comprensión teórica de estos estados de la materia formaron la base del Premio Nobel de Física 2016, compartido entre el profesor de la Universidad de Princeton F. Duncan Haldane, el profesor de física de la Universidad Sherman Fairchild, J. Michael Kosterlitz de la Universidad de Brown, y David J. Thouless, Universidad de Washington, Seattle.

Hasta ahora, solo unos pocos cientos de los más de 200, 000 materiales cristalinos inorgánicos conocidos han sido caracterizados como topológicos, y se pensó que eran anomalías.

"Cuando esté completamente terminado, este catálogo marcará el comienzo de una nueva era en el diseño de materiales topológicos, ", Dijo Bernevig." Este es el comienzo de un nuevo tipo de tabla periódica donde los compuestos y elementos están indexados por sus propiedades topológicas en lugar de por medios más tradicionales ".

El equipo internacional incluyó a investigadores de Princeton; el Centro Internacional de Física de Donostia en San Sebastián, España; la Fundación Vasca para la Ciencia IKERBASQUE; la Universidad del País Vasco; Ecole Normale Superieure Paris y el Centro Nacional Francés de Investigaciones Científicas; y el Instituto Max Planck de Física Química de Sólidos.

El equipo investigó alrededor de 25, 000 materiales inorgánicos cuyas estructuras atómicas se conocen experimentalmente con precisión, y clasificado en la base de datos de estructura de cristal inorgánico. Los resultados muestran que, en lugar de ser poco común, más del 27 por ciento de los materiales en la naturaleza son topológicos.

La base de datos recién creada permite a los visitantes seleccionar elementos de la tabla periódica para crear compuestos que el usuario puede explorar por sus propiedades topológicas. Actualmente se están analizando más materiales y se están colocando en una base de datos para su futura publicación.

Dos factores permitieron la compleja tarea de clasificar topológicamente los 25, 000 compuestos.

Primero, hace dos años, algunos de los autores presentes desarrollaron una teoría, conocida como química cuántica topológica y publicada en Naturaleza en 2017, lo que permitió clasificar las propiedades topológicas de cualquier material a partir del simple conocimiento de las posiciones y naturaleza de sus átomos.

Segundo, En el estudio actual, el equipo aplicó esta teoría a los compuestos de la base de datos de estructuras de cristales inorgánicos. Al hacerlo, los autores necesitaban idear, escribir y modificar una gran cantidad de instrucciones computarizadas para calcular las energías de los electrones en los materiales.

"Tuvimos que ir a estos programas antiguos y agregar nuevos módulos que calcularían las propiedades electrónicas requeridas, "dijo Zhijun Wang, quien fue investigador asociado postdoctoral en Princeton y ahora es profesor en el Laboratorio Nacional de Física de la Materia Condensada de Beijing y en el Instituto de Física, Academia china de ciencias.

Luego, necesitábamos analizar estos resultados y calcular sus propiedades topológicas en función de nuestra metodología de química cuántica topológica recientemente desarrollada, "dijo Luis Elcoro, profesor de la Universidad del País Vasco en Bilbao, España.

Los autores escribieron varios conjuntos de códigos que obtienen y analizan la topología de electrones en materiales reales. Los autores han puesto a disposición del público estos códigos a través del Servidor Cristalográfico de Bilbao. Con la ayuda del Centro de supercomputación Max Planck en Garching, Alemania, los investigadores luego ejecutaron sus códigos en el 25, 000 compuestos.

"Computacionalmente, fue algo increíblemente intensivo, "dijo Nicolas Regnault, profesor de Ecole Normale Superieure, París, y director de investigación en el Centro Nacional de Investigaciones Científicas de Francia. "Afortunadamente, la teoría nos mostró que necesitamos calcular solo una fracción de los datos que necesitábamos previamente. Necesitamos observar lo que 'hace' el electrón sólo en parte del espacio de parámetros para obtener la topología del sistema ".

"Nuestro conocimiento de los materiales se enriqueció mucho gracias a esta clasificación, "dijo Maia García Vergniory, investigador del Centro Internacional de Física Donostia en San Sebastián, España. "Es realmente la última línea de comprensión de las propiedades de los materiales".

Claudia Felser, profesor del Instituto Max Planck de Física Química de Sólidos en Dresde, Alemania, había predicho antes que incluso el oro es topológico. "Muchas de las propiedades materiales que conocemos, como el color del oro, pueden entenderse mediante el razonamiento topológico, "Dijo Felser.

El equipo ahora está trabajando para clasificar la naturaleza topológica de compuestos adicionales en la base de datos. Los siguientes pasos consisten en identificar los compuestos con mayor versatilidad, conductividad y otras propiedades, y verificar experimentalmente su naturaleza topológica. "Uno puede entonces soñar con una tabla periódica topológica completa, ", Dijo Bernevig.

El estudio, "Un catálogo completo de materiales topológicos de alta calidad". Por M. G. Vergniory, L. Elcoro, Claudia Felser, Nicolas Regnault, B. Andrei Bernevig y Zhijun Wang, fue publicado en línea en la revista Naturaleza el 28 de febrero 2019.