En las décadas transcurridas desde que se teorizaron por primera vez, Los científicos han sugerido que las propiedades exóticas de los materiales topológicos, es decir, materiales que mantienen sus propiedades eléctricas incluso frente a cambios radicales de temperatura o deformaciones estructurales, podrían resultar en todo, desde electrónica más eficiente en energía hasta el desarrollo de nuevos superconductores y computadoras cuánticas.

El problema, sin embargo, es que identificar los materiales con esas propiedades es frustrantemente difícil.

Para acelerar el proceso, El profesor de Física Ashvin Vishwanath y sus colegas llevaron a cabo una serie de estudios para desarrollar métodos para identificar de manera eficiente nuevos materiales que muestran propiedades topológicas.

Los primeros dos, publicado en Comunicaciones de la naturaleza y Avances de la ciencia , y es coautor con el becario del MIT Hoi Chun "Adrian" Po, Doctor. '18, y el profesor Haruki Watanabe de la Universidad de Tokio, sentar las bases para unir los conceptos matemáticos abstractos relevantes con el problema pragmático del descubrimiento de materiales. El segundo, publicado en Naturaleza en febrero y en coautoría con Po, Feng Tang y Xingang Wan, de la Universidad de Nanjing, demuestra el poder del enfoque y predice miles de candidatos a materiales topológicos.

"En dias tempranos, se centró mucho esfuerzo en poder predecir si un material sería aislante o metálico, ", Dijo Vishwanath." Hace unos 10 o 20 años, aunque, la gente se dio cuenta de que podíamos producir estos materiales topológicos ".

Los materiales topológicos desafían esta simple dicotomía. Por ejemplo, pueden tener un interior eléctricamente aislante, que está envuelto en una fina piel de metal. La presencia de este recubrimiento metálico está protegida por topología, un concepto matemático que se ocupa de las propiedades que son robustas frente a pequeños cambios físicos del sistema. En otras palabras, si intenta despegar la piel metálica de un aislante topológico, la capa de debajo se volverá repentinamente metálica.

"La comprensión de las matemáticas de estos materiales exóticos nos ayudaría a encontrar materiales reales con estas propiedades topológicas, "Po dijo." Ahora mismo, la forma en que la gente hace esto es más una suposición ... lo que queríamos hacer era encontrar formas eficientes de diagnosticar si los materiales que le interesan tienen una buena probabilidad de tener propiedades topológicas ".

La información necesaria proporciona una buena comprensión de cómo el comportamiento de los electrones se entrelaza con las simetrías de la estructura cristalina de un material. que puede verse como una serie casi infinita de átomos ensamblados en delicados patrones. Estos patrones a menudo permanecen sin cambios si inclina la cabeza 90 grados, o reflejarlos en un espejo. En física, esta propiedad se conoce como simetría. En los dos primeros trabajos, Vishwanath y sus colaboradores realizaron un estudio sistemático sobre este intrigante entrelazamiento entre electrones y simetrías.

"El primer problema es la gran cantidad de formas en que los átomos pueden formar cristales, ", dijo." Incluso si te olvidas de la complejidad química, olvídate de los elementos que hay allí, solo en la estructura ... solo por consideraciones de simetría, hay 230 formas en las que se pueden juntar átomos para formar cristales ".

Y la complejidad no termina ahí. Cuando se incorpora el magnetismo, el número aumenta drásticamente, de 230 a 1, 651.

Una solución al problema Watanabe dijo:sería simplemente probar todas las combinaciones posibles para llegar a una solución final, pero eso no ofrece ninguna idea de lo que crea los estados topológicos que buscan los investigadores.

"Adoptamos un enfoque diferente, ", dijo." La idea clave era ... encontramos una manera eficiente de reformular el problema de manera que las propiedades de simetría de los electrones se mapean en coordenadas en algún espacio de alta dimensión ".

Estas coordenadas son como direcciones, y el equipo pudo saber si un material era aislante, metálico, o topológico basado en su indicador de simetría, el análogo de un código postal.

En tono rimbombante, este "código postal" se puede caracterizar fácilmente. "Si bien el análisis de cada grupo espacial magnético le habría llevado un día a un estudiante de posgrado para averiguarlo, "Po dijo, "nuestra nueva formulación permite una automatización sencilla de la tarea, que se completa en una computadora portátil para los 1, 651 instancias en medio día ".

El nuevo Naturaleza el estudio se basa en las ideas esbozadas en los trabajos anteriores, aplicándolos para analizar bases de datos de materiales existentes para el descubrimiento de materiales topológicos candidatos. Trabajando con colaboradores en China, Vishwanath dijo:el equipo pudo diagnosticar rápidamente las propiedades topológicas de decenas de miles de materiales utilizando indicadores de simetría.

"En cierto sentido, es la etapa dos, "dijo de la Naturaleza estudio. "Demuestra la utilidad de los indicadores de simetría".

"No es un almuerzo gratis completo, ", dijo." No es que mires el cristal y analices en detalle lo que están haciendo los electrones. Bastante, solo estamos viendo un aspecto muy pequeño de un sistema complicado, así que es un poco como Sherlock Holmes:a partir de unas pocas pistas podemos inferir mucho sobre las características de un sistema ".

La esperanza, Vishwanath dijo:es que estos estudios allanarán el camino para el desarrollo de una "biblioteca" de materiales topológicos que luego se pueden caracterizar y utilizar potencialmente para una amplia variedad de aplicaciones.

"Hay algunos materiales que se prevé que tengan propiedades topológicas, pero para el que no tenemos un ejemplo, ", dijo." En otros casos, es posible que solo tengamos un tipo de estado topológico ... pero es posible que deseemos tener otros, no solo el ejemplo que la gente ha encontrado antes ".

Esta historia se publica por cortesía de Harvard Gazette, Periódico oficial de la Universidad de Harvard. Para noticias universitarias adicionales, visite Harvard.edu.