La estructura electrónica de los cristales no magnéticos se puede clasificar mediante teorías completas de topología de bandas, recuerda a una "tabla periódica topológica". Sin embargo, tal clasificación para materiales magnéticos hasta ahora ha sido esquiva, y, por tanto, hasta la fecha se han descubierto muy pocos materiales topológicos magnéticos. En un nuevo estudio publicado en la revista Naturaleza , un equipo internacional de investigadores ha realizado la primera búsqueda de alto rendimiento de materiales topológicos magnéticos, encontrando más de 100 nuevos aislantes topológicos magnéticos y semimetales.

La tabla periódica clasifica los elementos por sus propiedades químicas, como el número de electrones o la electronegatividad. Esta clasificación ha llevado a la predicción y posterior descubrimiento de nuevos elementos. Análogamente, las estructuras electrónicas de los sólidos cristalinos no magnéticos (colecciones de elementos colocados con espaciamientos regulares) se han clasificado recientemente a través de una "tabla periódica topológica" basada en las teorías completas de la química cuántica topológica y los indicadores basados ​​en la simetría. Según la topología de sus funciones de onda electrónicas, se han identificado decenas de miles de materiales topológicos no magnéticos, conduciendo al descubrimiento de miles de nuevos aislantes topológicos.

A diferencia de sus contrapartes no magnéticas, Los compuestos magnéticos actualmente no pueden clasificarse mediante métodos topológicos automatizados. En lugar de, La investigación sobre materiales topológicos magnéticos se ha realizado ad hoc, y ha sido motivado por sus aplicaciones potenciales como convertidores termoeléctricos efectivos, componentes energéticamente eficientes en dispositivos microelectrónicos que podrían estar en el corazón de las computadoras cuánticas, o medios de almacenamiento magnéticos mejorados. Sin embargo, a pesar de que los primeros estudios teóricos de materiales topológicos y sus propiedades a principios de la década de 1980 se diseñaron en sistemas magnéticos, esfuerzos galardonados con el Premio Nobel de Física en 2016, Los últimos 40 años de avances en el descubrimiento de materiales topológicos se han producido en gran medida en las áreas de aislantes topológicos no magnéticos y semimetales.

La relativa ausencia de materiales topológicos magnéticos candidatos se puede atribuir a las complicadas simetrías de los cristales magnéticos, ya las dificultades teóricas y experimentales que implica el modelado y la medición de imanes cuánticos. Primero, mientras que cientos de miles de compuestos conocidos se pueden buscar por su estructura cristalina en bases de datos establecidas, solo hay cientos de estructuras magnéticas medidas experimentalmente disponibles en las bases de datos de materiales magnéticos más grandes. Segundo, mientras que las estructuras no magnéticas se clasifican en solo 230 grupos espaciales, Los materiales magnéticos se clasifican por el 1, 421 grupos espaciales magnéticos. "En la parte superior de esta, en todos los sistemas magnéticos, también debemos preocuparnos por los efectos de las interacciones electrón-electrón, que son notoriamente difíciles de modelar. Esto hace que la tarea de predecir materiales topológicos magnéticos sea significativamente más complicada. incluso si los números fueran más favorables, "dijo B. Andrei Bernevig, profesor de física en la Universidad de Princeton y uno de los autores del presente estudio que tiene como objetivo remediar este problema.

En el estudio, publicado en Naturaleza , un equipo internacional de investigadores ha dado un gran paso hacia el descubrimiento de materiales magnéticos con propiedades electrónicas topológicas no triviales.

“La clasificación y diagnóstico de la topología de bandas en materiales magnéticos cierra efectivamente el bucle iniciado hace 40 años en un campo cuya relevancia ha sido reforzada por los Premios Nobel de Física en 1985 y 2016, "dice la autora Claudia Felser, director del Instituto Max Planck de Dresde.

En 2017, un equipo de investigadores de la Universidad de Princeton, la Universidad del País Vasco, Instituto Max Planck, y el DIPC desarrolló un nuevo Comprensión completa de la estructura de las bandas en materiales no magnéticos. "En esta teoría, la química cuántica topológica (TQC), vinculamos las características topológicas de un material con su química subyacente. Esto convirtió la búsqueda de materiales topológicos no magnéticos en una forma que podría automatizarse de manera efectiva, "dijo Luis Elcoro, catedrático de la Universidad del País Vasco en Bilbao y coautor de ambos estudios. TQC representa un marco universal para predecir y caracterizar todas las posibles estructuras de bandas y cristalinas, materiales estequiométricos. TQC se aplicó además a 35, 000 compuestos no magnéticos establecidos experimentalmente, conduciendo al descubrimiento de 15, 000 nuevos materiales topológicos no magnéticos.

"Hemos identificado miles de materiales topológicos en los últimos dos años, mientras que solo unos pocos cientos se identificaron previamente en las últimas dos décadas. Antes de la aplicación de estas novedosas herramientas, la búsqueda de nuevos materiales con estas asombrosas propiedades fue como buscar una aguja en un pajar en el crepúsculo. Ahora, La búsqueda de materiales topológicos no magnéticos es casi un ejercicio de rutina, "dijo Maia Vergniory, profesor asistente de la Fundación IKERBASQUE para la Ciencia y el DIPC, y coautor de ambos estudios.

La investigación actual se ha centrado cada vez más en los compuestos magnéticos. Se han propuesto teóricamente muy pocos materiales magnéticos para albergar fases topológicas magnéticas antiferromagnéticas, y solo un puñado se ha confirmado más experimentalmente. "Se necesita una teoría equivalente a TQC para lograr un éxito comparable en el estudio de materiales magnéticos. Sin embargo, porque hay más de mil grupos de simetría magnética a considerar, el problema es esencialmente intratable por la fuerza bruta, "dijo Benjamin Wieder, investigador postdoctoral en el Instituto de Tecnología de Massachusetts y Princeton, y autor del presente estudio.

Los investigadores enfrentaron dos obstáculos principales para reproducir el éxito logrado con materiales no magnéticos:por un lado, Había que dilucidar la maquinaria teórica necesaria para analizar la topología de banda de un material magnético dado. "Vemos el conjunto completo de herramientas como un edificio. Si bien los materiales no magnéticos representaban una casa adosada resistente, la teoría completa de los materiales magnéticos era esencialmente un rascacielos inacabado, "dijo Zhida Song, investigador postdoctoral en Princeton y autor del nuevo estudio.

Para el descubrimiento de material topológico, Otro problema es que el número de materiales magnéticos cuya estructura magnética se conoce con un detalle fiable es bastante pequeño. "Mientras que teníamos 200, 000 compuestos no magnéticos para analizar, la base de datos más grande de estructuras magnéticas medidas experimentalmente tiene aproximadamente 1, 000 entradas. Solo en la última década los científicos han intentado seriamente clasificar y recopilar los datos estructurales de estos materiales magnéticos, "añade el autor Nicolas Regnault, profesor de la Ecole Normale Superieure, CNRS, y Princeton.

"Afortunadamente, contamos con el trabajo asiduo de las personas que están detrás de la base de datos de estructuras magnéticas del Servidor Cristalográfico de Bilbao, lo que nos permitió ingresar los datos iniciales correctos en nuestros modelos teóricos, "dijo Yuanfeng Xu, investigador postdoctoral en el Instituto Max Planck en Halle, y el primer autor del estudio actual. La información magnética se encuentra alojada en el Servidor Cristalográfico de Bilbao, que es desarrollado parcialmente por el Prof. Elcoro.

Después de una selección de los mejores candidatos potenciales, el equipo analizó 549 estructuras magnéticas aplicando primero métodos ab-initio para obtener las simetrías magnéticas de las funciones de onda electrónicas, y luego construir una extensión magnética de TQC para determinar qué estructuras magnéticas alojaban una topología de banda electrónica no trivial. "En el final, Hemos encontrado que la proporción de materiales magnéticos topológicos (130 de 549) en la naturaleza parece ser similar a la proporción de compuestos no magnéticos, "añadió el Dr. Xu.

A pesar del bajo número absoluto de compuestos magnéticos en relación con los miles de materiales no magnéticos estudiados hasta ahora, los autores han encontrado una diversidad aún mayor de características fascinantes. "El número de botones para intrigantes estudios experimentales, como controlar las transiciones de fase topológica, parece ser más grande en materiales magnéticos, "dijo el Dr. Xu." Ahora que hemos predicho nuevos materiales topológicos magnéticos, el siguiente paso es verificar experimentalmente sus propiedades topológicas, "añadió el autor Yulin Chen, profesor en Oxford y Shanghai Tech.

Los investigadores también han creado una base de datos en línea para acceder libremente a los resultados del presente estudio:http://www.topologicalquantumchemistry.fr/magnetic. Usando diferentes herramientas de búsqueda, los usuarios pueden explorar las propiedades topológicas de las más de 500 estructuras magnéticas analizadas. "Hemos sentado las bases de un catálogo de estructuras magnéticas topológicas. La estandarización del uso de la simetría magnética en entornos experimentales y teóricos, acompañado de la adopción generalizada de las herramientas desarrolladas en este trabajo, se espera que conduzca a una explosión aún mayor de descubrimientos en materiales topológicos magnéticos en los próximos años, "dijo Bernevig.