22.09.2022 - Technische Universität Wien

Diseño de nuevos materiales cuánticos en el ordenador

"Todo indica que hemos encontrado una forma sólida de identificar los materiales que tienen las características que queremos"

Un nuevo principio de diseño permite ahora predecir las propiedades de materiales cuánticos apenas explorados hasta ahora. Por primera vez se ha descubierto un semimetal topológico fuertemente correlacionado mediante un ordenador.

¿Cómo se encuentran nuevos materiales con propiedades muy específicas, por ejemplo, propiedades electrónicas especiales que se necesitan para los ordenadores cuánticos? Suele ser una tarea muy complicada: se crean varios compuestos, en los que los átomos potencialmente prometedores se disponen en determinadas estructuras cristalinas y luego se examina el material, por ejemplo, en el laboratorio de baja temperatura de la Universidad de Viena.

Ahora, una cooperación entre la Universidad de Rice (Texas), la TU Wien y otras instituciones internacionales de investigación ha conseguido localizar materiales adecuados en el ordenador. Se utilizan nuevos métodos teóricos para identificar candidatos especialmente prometedores de entre el gran número de materiales posibles. Las mediciones realizadas en la TU Wien demostraron que los materiales tienen las propiedades requeridas y que el método funciona. Se trata de un importante paso adelante en la investigación de materiales cuánticos. Los resultados se han publicado en la revista Nature Physics.

Semimetales topológicos

La Universidad de Rice, en Texas, y la Universidad Técnica de Viena ya han colaborado con mucho éxito en los últimos años en la búsqueda de nuevos materiales cuánticos con propiedades muy especiales: en 2017, los dos grupos de investigación presentaron el primer llamado "semimetal de Weyl-Kondo", un material que podría desempeñar un papel importante en la investigación de las tecnologías informáticas cuánticas.

"Los electrones de un material de este tipo no pueden describirse individualmente", explica la profesora Silke Bühler-Paschen, del Instituto de Física del Estado Sólido de TU Wien. "Hay interacciones muy fuertes entre estos electrones, interfieren entre sí como ondas según las leyes de la física cuántica, y al mismo tiempo se repelen entre sí debido a su carga eléctrica".

Es precisamente esta fuerte interacción la que da lugar a las excitaciones de los electrones, que sólo pueden describirse mediante métodos matemáticos muy elaborados. En los materiales que ahora se estudian, la topología también desempeña un papel importante: se trata de una rama de las matemáticas que se ocupa de las propiedades geométricas que no cambian con la deformación continua, como el número de agujeros de un donut, que sigue siendo el mismo aunque se apriete ligeramente el donut.

De forma similar, los estados electrónicos de la materia pueden permanecer estables aunque el material se vea ligeramente perturbado. Precisamente por eso estos estados son tan útiles para aplicaciones prácticas como los ordenadores cuánticos.

Utilizar el ordenador para identificar posibles candidatos

Calcular el comportamiento de todos los electrones que interactúan fuertemente en el material es imposible: ningún superordenador del mundo es capaz de hacerlo. Pero a partir de los resultados anteriores, se ha podido desarrollar un principio de diseño que utiliza cálculos de modelos simplificados combinados con consideraciones de simetría matemática y una base de datos de materiales conocidos para proporcionar sugerencias sobre cuáles de estos materiales podrían tener las propiedades topológicas teóricamente esperadas.

"Este método proporcionó tres de estos candidatos, y a continuación produjimos uno de estos materiales y lo medimos en nuestro laboratorio a bajas temperaturas", dice Silke Bühler-Paschen. "Y, efectivamente, estas primeras mediciones indican que se trata de un semimetal topológico altamente correlacionado, el primero que se predice sobre una base teórica utilizando un ordenador".

Una clave importante del éxito fue explotar las simetrías del sistema de forma inteligente: "Lo que postulamos fue que las excitaciones fuertemente correlacionadas siguen estando sujetas a requisitos de simetría. Gracias a ello, puedo decir mucho sobre la topología de un sistema sin recurrir a los cálculos ab initio que suelen ser necesarios, pero que suponen un reto especial para el estudio de materiales fuertemente correlacionados", afirma Qimiao Si, de la Universidad de Rice. "Todo indica que hemos encontrado una forma sólida de identificar materiales que tienen las características que queremos".

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