Materiales Topológicos: una Nueva Dimensión de Propiedades y sus Sorprendentes Aplicaciones

^{Por Inés Urdaneta / Física e investigadora de Resonance Science Foundation}

La palabra topología se refiere a los contornos de una superficie o a la forma de un objeto. En matemáticas, la topología clasifica los objetos por el número de agujeros que tienen. Una pelota es una esfera sin agujeros, mientras que un donut, con su único agujero, es topológicamente diferente. La pelota es topológicamente equivalente a una manzana, y el donut a una taza, pero no a una bola o a un pretzel, ya que pasar de una topología a otra requeriría un cambio drástico, como hacer un agujero. Por esta razón, los estados topológicos descubiertos en algunos materiales son robustos y resisten interrupciones, siempre y cuando guarden su topología.

Los materiales topológicos proporcionan ciertos estados electrónicos que persisten a pesar de una modificación de su forma física. Lo importante no es la forma en sí, sino la estructura de sus bandas electrónicas; regiones de distribución de energía electrónica particulares de cada material. La estructura de bandas electrónicas es la huella digital de una estructura sólida o cristalina. La región energética en la que los electrones pueden fluir sin resistencia se denomina banda de conducción -normalmente dentro de los materiales metálicos-, mientras que, si el material estuviera en el cero absoluto, los electrones estarían confinados en la banda de valencia, de menor energía, donde es necesario inyectar energía para que estos electrones salten a la banda de conducción y fluyan. Por tanto, la banda de conducción es el rango de energías más cercano a la banda de valencia. Cuanto mayor sea la diferencia energética entre la banda de conducción y de valencia, más difícil será saltar la brecha entre ambas, y los materiales que se encuentran en esta situación se denominan aislantes.

"En los metales, estos rangos de energía se solapan, por lo que los electrones se mueven fácilmente hacia la banda de conducción, permitiendo el paso de la corriente. Los aislantes tienen una amplia brecha entre bandas, por lo que los electrones no pueden saltar de la banda de valencia a la de conducción. Los semiconductores tienen una brecha de banda más pequeña, por lo que la corriente puede fluir si los electrones absorben la cantidad adecuada de energía." Universidad de Zurich

En los materiales topológicos, puede darse el caso de que el volumen del material sea aislante, mientras que la superficie del material es conductora; en este caso, la banda energética también se encuentra físicamente en una región concreta del espacio, de manera que se pueden combinar propiedades eléctricas de diferentes materiales en un único material y controlar la ubicación de estas propiedades. El teluro de bismuto es un ejemplo, y su estructura atómica se muestra en la Figura 1.

^{Figura 1: El material topológico bismuto trisódico. Negro = Na (sodio), y púrpura = Bi (bismuto). Crédito: James Collins/Arc Centre Of Excellence In Future Low-Energy Electronics Technologies/Monash University}

Estos extraños efectos no se ven alterados por pequeños defectos en un cristal; si hay algún daño en la superficie, la corriente simplemente fluye a su alrededor, porque el estado de la superficie es muy estable. Ni siquiera una perturbación importante, como un gran aumento de la temperatura, es suficiente para modificar las propiedades topológicas.

"Esta robustez es el resultado de ciertos estados electrónicos estables dentro de los materiales, que suelen contener metales pesados. Cuando los electrones de una corriente chocan con un defecto del material, simplemente fluyen a su alrededor, en lugar de dispersarse o experimentar resistencia como en los conductores tradicionales."

 - Universidad de Zurich

Los aislantes topológicos tienen otras propiedades interesantes, por ejemplo, la corriente podría fluir sólo en una dirección en una superficie, o incluso en los bordes de una estructura cristalina, como la que han conseguido los físicos de la Universidad de Zúrich, con una nueva clase de materiales: los aislantes topológicos de alto orden. La corriente eléctrica fluye sin disiparse por los bordes de estos sólidos cristalinos, mientras que el resto del cristal permanece aislante. 

^{Esquema de un aislante topológico de orden superior en forma de nanohilo, con canales conductores en sus bordes. Crédito: UZH}

Otra característica de las propiedades topológicas es que, si el material fuera perfectamente maleable, se podría remodelar en diferentes formas topológicas equivalentes, sin cambiar esa propiedad topológica básica. Del mismo modo, un donut podría convertirse en una taza de café, y el agujero del donut en la abertura del asa de la taza.

Todo lo anterior abre una ruta hacia una clasificación diferente de los materiales siguiendo sus propiedades topológicas, y revelando nuevas propiedades de materiales que se creían bien entendidos; esto último se traduce en una infinidad de aplicaciones en electrónica, catálisis y computación cuántica ... Y, tal vez, incluso redefiniendo la tabla periódica. La tabla periódica clasifica los elementos en función de sus propiedades a granel, así que, si llegan nuevas propiedades relativas a criterios topológicos, quizá surja una nueva tabla periódica topológica. 

Para saber de antemano si un material es topológico, los investigadores están desarrollando un método basado en sus elementos constitutivos, la estructura cristalina y las posiciones de los átomos.

Más información en:

Topological materials move from the world of theoretical physics to experimental chemistry https://cen.acs.org/articles/96/i26/Topological-materials-move-world-theoretical.html

The bizarre world of topological materials:  https://phys.org/news/2018-06-bizarre-world-topological-materials.html

Topological quantum chemistry (https://www.nature.com/articles/nature23268)

Novel insulators with conducting edges: https://phys.org/news/2018-06-insulators-edges.html#jCp