Cuando una banda se desinfla:búsqueda de planitud en los materiales

Una representación artística de las dispersiones de banda para un material determinado. Las cintas negras representan diferentes bandas, mientras que el eje vertical es la energía cinética. En el centro hay dos bandas planas que se originan en la estructura kagome única del material. Crédito:© MPI CPfS

Encontrar los ingredientes adecuados para crear materiales con exóticas propiedades cuánticas ha sido una quimera para los científicos experimentales, debido a las infinitas combinaciones posibles de diferentes elementos a sintetizar.

A partir de ahora, la creación de este tipo de materiales podría avanzar con menos ojos vendados gracias a una colaboración internacional liderada por Andrei Bernevig, profesor visitante Ikerbasque en Donostia International Physics Center (DIPC) y profesor de la Universidad de Princeton, y Nicolas Regnault, de la Universidad de Princeton y la Ecole Normale Supérieure Paris, CNRS, con la participación de Luis Elcoro de la Universidad del País Vasco (UPV/EHU).

El equipo realizó una búsqueda sistemática de posibles candidatos en un enorme pajar de 55.000 materiales. El proceso de eliminación se inició con la identificación de los llamados materiales de banda plana, es decir, estados electrónicos con energía cinética constante. Por lo tanto, en una banda plana el comportamiento de los electrones se rige principalmente por las interacciones con otros electrones. Sin embargo, los investigadores se dieron cuenta de que la planitud no es el único requisito, porque cuando los electrones están demasiado unidos a los átomos, incluso en una banda plana, no pueden moverse y crear estados interesantes de la materia. "Quieres que los electrones se vean entre sí, algo que puedes lograr asegurándote de que estén extendidos en el espacio. Eso es exactamente lo que aportan las bandas topológicas", dice Nicolas Regnault.

La topología juega un papel crucial en la física moderna de la materia condensada como lo sugieren los tres premios Nobel en 1985, 1997 y 2016. Obliga a extender algunas funciones de onda cuánticas haciéndolas insensibles a las perturbaciones locales, como las impurezas. Podría imponer algunas propiedades físicas, como una resistencia, para cuantificarse o conducir a estados de superficie perfectamente conductores.

Afortunadamente, el equipo ha estado a la vanguardia de la caracterización de las propiedades topológicas de las bandas a través de su enfoque conocido como "química cuántica topológica", lo que les brinda una gran base de datos de materiales, así como las herramientas teóricas para buscar bandas planas topológicas.

Mediante el empleo de herramientas que van desde métodos analíticos hasta búsquedas de fuerza bruta, el equipo encontró todos los materiales de banda plana que se conocen actualmente en la naturaleza. Este catálogo de materiales de banda plana está disponible online con su propio buscador. "La comunidad ahora puede buscar bandas topológicas planas en los materiales. Hemos encontrado, de 55 000 materiales, alrededor de 700 que exhiben lo que podrían ser bandas planas interesantes", dice Yuanfeng Xu, de la Universidad de Princeton y el Instituto Max Planck de Física de Microestructuras. uno de los dos autores principales del estudio. "Nos aseguramos de que los materiales que promovemos sean candidatos prometedores para la síntesis química", enfatiza Leslie Schoop del departamento de química de Princeton. El equipo ha clasificado aún más las propiedades topológicas de estas bandas, descubriendo qué tipo de electrones deslocalizados albergan.

Ahora que este gran catálogo está completo, el equipo comenzará a cultivar los materiales predichos para descubrir experimentalmente la miríada potencial de nuevos estados interactivos. "Ahora que sabemos dónde buscar, necesitamos hacer crecer estos materiales", dice Claudia Felser del Instituto Max Planck de Física Química de Sólidos. "Tenemos un equipo de ensueño de experimentadores trabajando con nosotros. Están ansiosos por medir las propiedades físicas de estos candidatos y ver qué fenómenos cuánticos emocionantes surgirán".

El catálogo de bandas planas, publicado en Nature el 30 de marzo de 2022, representa el final de años de investigación por parte del equipo. "Mucha gente, y muchas instituciones de becas y universidades a las que presentamos el proyecto dijeron que esto era demasiado difícil y que nunca podría hacerse. Nos tomó algunos años, pero lo logramos", dijo Andrei Bernevig.

La publicación de este catálogo no solo reducirá la casualidad en la búsqueda de nuevos materiales, sino que permitirá realizar grandes búsquedas de compuestos con propiedades exóticas, como el magnetismo y la superconductividad, con aplicaciones en dispositivos de memoria o en el transporte sin disipación de largo alcance de energía. + Explora más