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1 de Septiembre de 2019
Materiales

Un raudal de materiales topológicos

Una nueva manera de analizar la estructura electrónica de los materiales ha revelado que un ingente número de ellos posee propiedades topológicas.

Topología oculta: Un enfoque bautizado como «química cuántica topológica» ha revelado que un gran número de materiales, como el bismuto (imagen), presentan exóticas propiedades de transporte electrónico hasta ahora desconocidas. [GETTY IMAGES/JONNYSEK/ISTOCK]

Hace más de una década se descubrieron los llamados materiales topológicos. Se trata de materiales con extraordinarias propiedades de transporte electrónico que prometen todo tipo de aplicaciones técnicas, desde la electrónica de baja potencia hasta la espintrónica o la computación cuántica. Su enorme potencial impulsó a los mejores laboratorios y universidades del mundo a buscar compuestos con estas características. Sin embargo, de los aproximadamente 200.000 materiales que sabemos que nos ofrece la naturaleza, solo un centenar fueron diagnosticados como tales. De ellos, la mayoría eran variaciones de una misma estructura química. El cuello de botella se encontraba en la forma en que los físicos buscaban el santo grial en el bosque de los compuestos químicos conocidos: incluso después de encontrar un candidato, los cálculos que había que realizar para determinar sus propiedades eran computacionalmente costosos.

Hace dos años, en una colaboración internacional en la que participamos los dos autores de este artículo, desarrollamos un método transversal que bautizamos como «química cuántica topológica» y que unía aspectos de la física, la química y la teoría de grafos. Gracias a él, en fecha reciente hemos diseñado un procedimiento que permite diagnosticar las propiedades topológicas de cualquier material en pocos minutos y con un coste computacional muy bajo. De esta manera hemos pasado de tener unos 100 candidatos a materiales topológicos a aproximadamente 7500; un número que sin duda crecerá en el futuro. Los principios de este nuevo método se publicaron en febrero de este año en Nature y el catálogo de materiales se encuentra disponible para investigadores y empresas en el sitio web www.topologicalquantumchemistry.com.

 

Electrónica topológica

La topología es la rama de las matemáticas que estudia las propiedades de un cuerpo que permanecen invariantes cuando lo sometemos a transformaciones continuas o «suaves»: aquellas consistentes en doblarlo, comprimirlo o estirarlo, por ejemplo, pero sin agujerearlo o partirlo en dos. Consideremos una naranja. No importa cuánto la doblemos o moldeemos, jamás podremos transformarla en una rosquilla. La razón se debe a que esta última presenta un agujero, mientras que la naranja no. El número de agujeros de un objeto es un ejemplo de invariante topológica: una de las propiedades básicas de un cuerpo que no pueden alterarse mediante deformaciones continuas.

La topología llegó a la física de materiales de la mano de Klaus von Klitzing y su descubrimiento del efecto Hall cuántico. En 1980, Von Klitzing observó que, en presencia de un campo magnético intenso, la resistencia de una placa metálica pasaba a estar cuantizada: su valor solo podía ser un múltiplo entero de cierta cantidad (la carga del electrón al cuadrado dividida por la constante de Planck). Dos años después, David Thouless y otros investigadores demostraron que —de manera similar a lo que ocurre con el número de agujeros de un objeto— la resistencia del efecto Hall solo podía tomar valores enteros porque estaba asociada a una invariante topológica; en este caso, a una correspondiente a la función de onda cuántica de los electrones.

El hallazgo de Von Klitzing fue reconocido en 1985 con el premio Nobel de física. Por su parte, Thouless, Duncan M. Haldane y J. Michael Kosterlitz se vieron laureados en 2016 por sus investigaciones sobre las propiedades topológicas de la materia. Hoy, este campo de investigación ha entrado en la vanguardia de la física de materiales.

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