Cuando una banda se aplana: La búsqueda de la planitud en los materiales

El primer catálogo mundial de materiales de banda plana, publicado en la revista Nature, podría reducir la serendipia en la búsqueda de nuevos materiales con propiedades cuánticas exóticas, como el magnetismo y la superconductividad, con aplicaciones en dispositivos de memoria o en el transporte de energía sin disipación de largo alcance.

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

A partir de ahora, la creación de tales materiales podría tener los ojos menos vendados gracias a una colaboración internacional liderada por Andrei Bernevig, profesor visitante de Ikerbasque en el Donostia International Physics Center (DIPC) y catedrático de la Universidad de Princeton, y Nicolas Regnault, de la Universidad de Princeton y de la Escuela Normal Superior de París, CNRS, que cuenta 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 comenzó con la identificación de los llamados materiales de banda plana, es decir, estados electrónicos con energía cinética constante. Por 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, ya que cuando los electrones están demasiado unidos a los átomos, incluso en una banda plana, no son capaces de moverse y crear estados interesantes de la materia. "Se quiere que los electrones se vean unos a otros, algo que se puede conseguir asegurando que se extiendan en el espacio. Eso es exactamente lo que aportan las bandas topológicas", dice Nicolas Regnault.

La topología desempeña un papel crucial en la física moderna de la materia condensada, como sugieren los tres premios Nobel de 1985, 1997 y 2016. Obliga a extender algunas funciones de onda cuánticas haciéndolas insensibles a perturbaciones locales como las impurezas. Podría imponer la cuantificación de algunas propiedades físicas, como la resistencia, o conducir a estados superficiales 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 ha proporcionado una gran base de datos de materiales, así como las herramientas teóricas para buscar bandas topológicas planas.

Empleando herramientas que van desde métodos analíticos hasta búsquedas por fuerza bruta, el equipo encontró todos los materiales de banda plana conocidos actualmente en la naturaleza. Este catálogo de materiales de banda plana está disponible en línea https://www.topologicalquantumchemistry.fr/flatbands con su propio motor de búsqueda. "La comunidad puede ahora buscar bandas topológicas planas en los materiales. Hemos encontrado, de entre 55.000 materiales, unos 700 que presentan lo que podrían ser bandas planas interesantes", afirma Yuanfeng Xu, de la Universidad de Princeton y del 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", subraya Leslie Schoop, del departamento de química de Princeton. El equipo ha clasificado además las propiedades topológicas de estas bandas, descubriendo qué tipo de electrones deslocalizados albergan.

Ahora que se ha completado este amplio catálogo, el equipo comenzará a cultivar los materiales predichos para descubrir experimentalmente la miríada potencial de nuevos estados de interacción. "Ahora que sabemos dónde buscar, tenemos que cultivar estos materiales", dice Claudia Felser, del Instituto Max Planck de Física Química de los Sólidos. "Tenemos un equipo de experimentadores de ensueño trabajando con nosotros. Están ansiosos por medir las propiedades físicas de estos candidatos y ver qué emocionantes fenómenos cuánticos surgen".

El catálogo de bandas planas, publicado en Nature el 30 de marzo de 2022, representa el final de años de investigación del equipo. "Mucha gente, y muchas instituciones de subvención y universidades a las que presentamos el proyecto dijeron que esto era demasiado difícil y que nunca podría hacerse. Nos ha costado algunos años, pero lo hemos conseguido", afirma Andrei Bernevig.

La publicación de este catálogo no sólo reducirá la serendipia 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 de energía sin disipación de largo alcance.