La tabla periódica de los materiales topológicos

Los materiales topológicos tienen un gran potencial en una variedad de campos. Un equipo de investigadores ha ideado un método para detectarlos rápida y eficazmente y ha creado una tabla periódica con ellos.

Meritxell Bernal

La tabla periódica ayudará a los investigadores a identificar familias de materiales topológicos.
La tabla periódica ayudará a los investigadores a identificar familias de materiales topológicos.

Los materiales topológicos, un grupo extraño cuyas superficies exhiben propiedades eléctricas o funcionales diferentes a las de sus interiores, han sido objeto de intensos estudios en los últimos tiempos tras su hallazgo y posterior investigación que desembocó en el Premio Nobel de Física en 2016.

Se creen que tiene un gran potencial en una variedad de campos y que, algún día, podría usarse en dispositivos electrónicos u ópticos ultraeficientes, o en componentes clave de computadoras cuánticas.

Hay muchos miles de compuestos que, teóricamente, pueden tener características topológicas. Sin embargo, sintetizar y probar uno de esos materiales para determinar sus propiedades puede llevar meses de experimentos y análisis

Hay muchos miles de compuestos que, teóricamente, pueden tener características topológicas. Sin embargo, sintetizar y probar uno de esos materiales para determinar sus propiedades puede llevar meses de experimentos y análisis.

 Ahora, un equipo de investigadores encabezado por miembros del Massachusetts Institute of Technology (MIT) ha ideado un nuevo método, que puede seleccionar rápidamente materiales candidatos y determinar con más del 90 por ciento de precisión si son topológicos.

Estos hallazgos aparecen en la revista Advanced Materials, en un artículo firmado por Mingda Li, profesor de desarrollo profesional de la clase '47 en el MIT, las estudiantes de posgrado Andrejevic, del MIT, y Jovana Andrejevic, de la Universidad de Harvard, y otros siete investigadores del MIT, Harvard, la Universidad de Princeton y el Laboratorio Nacional de Argonne.

El profesor del MIT Mingda Li lidera este estudio.
El profesor del MIT Mingda Li lidera este estudio.

Qué compuestos pueden ser topológicos

Hay varias variedades de materiales topológicos, incluidos semiconductores, conductores y semimetales, entre otros. Inicialmente, se pensó que solo había un puñado de ellos, pero la teoría y los cálculos recientes han predicho que, de hecho, miles de compuestos diferentes pueden tener, al menos, algunas características de éstos. La parte difícil es descubrir experimentalmente qué compuestos pueden ser topológicos.

Las aplicaciones de estos materiales abarcan una amplia gama, incluidos dispositivos que podrían realizar funciones informáticas y de almacenamiento de datos, de manera similar a los dispositivos basados ​​en silicio, pero con una pérdida de energía mucho menor

Las aplicaciones de estos materiales abarcan una amplia gama, incluidos dispositivos que podrían realizar funciones informáticas y de almacenamiento de datos, de manera similar a los dispositivos basados ​​en silicio, pero con una pérdida de energía mucho menor, o dispositivos para recolectar electricidad de manera eficiente a partir del calor residual, por ejemplo, en plantas de energía térmica o en dispositivos electrónicos.

Los compuestos topológicos también pueden tener propiedades superconductoras, que podrían usarse para construir bits cuánticos para computadoras cuánticas topológicas.

Pero, todo esto se basa en desarrollar o descubrir los correctos. "Para estudiar un material topológico, primero debe confirmar si el material lo es o no", dice Li, "y esa parte es un problema difícil de resolver de la manera tradicional", agrega.

Se utiliza un método llamado teoría funcional de la densidad para realizar los cálculos iniciales, que luego deben seguirse con experimentos complejos, que requieren cortar una pieza del material a nivel atómico y probarla con instrumentos en condiciones de alto vacío.

Resulta difícil descubrir experimentalmente qué compuestos pueden ser topológicos.
Resulta difícil descubrir experimentalmente qué compuestos pueden ser topológicos.

“La mayoría de los materiales ni siquiera se pueden medir debido a diversas dificultades técnicas”, explica Nina Andrejevic. Pero, para aquellos que pueden, el proceso puede llevar mucho tiempo. “Es un procedimiento realmente laborioso”, recalca.

Mientras que el enfoque tradicional se basa en medir las fotoemisiones o hacer un túnel de electrones, explica Li, la nueva técnica que desarrollaron se basa en la absorción, específicamente, la forma en que el material absorbe los rayos X.

"Sorprendentemente, este enfoque tuvo una precisión superior al 90 por ciento cuando se probó en más de 1.500 materiales conocidos"

A diferencia de los costosos aparatos necesarios para las pruebas convencionales, los espectrómetros de absorción de rayos X están fácilmente disponibles y pueden operar a temperatura ambiente y presión atmosférica, sin necesidad de vacío. Tales mediciones se realizan ampliamente en biología, química, investigación de baterías y muchas otras aplicaciones, pero no se habían aplicado previamente para identificar materiales cuánticos topológicos.

"Sorprendentemente, este enfoque tuvo una precisión superior al 90 por ciento cuando se probó en más de 1.500 materiales conocidos", apunta Nina Andrejevic, y añade que las predicciones toman solo unos segundos. "Éste es un resultado emocionante, dada la complejidad del proceso convencional".

El equipo ha utilizado el modelo para construir una tabla periódica, que sirve como una herramienta para ayudar a los investigadores a identificar familias de compuestos que pueden ofrecer las características adecuadas para una aplicación determinada.

Fuente: MIT.