Los materiales topológicos se vuelven conmutables
Búsqueda mundial de aplicaciones interesantes
Los llamados "estados topológicos" desempeñan un papel importante en la investigación de materiales, ya que son extremadamente estables. Ahora, por primera vez, ha sido posible activar y desactivar dichos estados.
La aniquilación mutua de dos cuasipartículas topológicas
© Raphael Bühler
Un donut no es un bollo de desayuno. Son dos objetos muy claramente distinguibles: Uno tiene un agujero, el otro no. En matemáticas, se dice que las dos formas son topológicamente diferentes: no se puede transformar una en la otra mediante pequeñas deformaciones continuas. Por tanto, la diferencia entre ellas es robusta a las perturbaciones: Aunque se amase y doble el bollo, sigue sin parecerse a un donut.
Estas propiedades topológicas también desempeñan un papel importante en la ciencia de los materiales, aunque de forma algo más abstracta. Si una propiedad material puede explicarse topológicamente, también es robusta a las perturbaciones: Un cambio en las condiciones ambientales no la hace desaparecer. Ahora, por primera vez, un equipo de investigación ha conseguido conmutar específicamente dicha propiedad topológica: Ciertos estados del material son estables frente a las perturbaciones en una amplia gama de parámetros, pero a un determinado campo magnético pueden desconectarse por completo. Esto hace que las propiedades topológicas de los materiales sean manipulables por primera vez.
Geometría en espacios abstractos
En física, las "propiedades topológicas" de un material no tienen nada que ver con su forma geométrica: no se trata de muestras de cristal con forma de rosquilla o esférica. El término "propiedades topológicas" se refiere más bien a la compleja interacción de los numerosos electrones del material.
Esta interacción puede representarse matemáticamente de formas muy específicas. A menudo resulta útil no pensar en la posición de los electrones, sino en su momento, es decir, en su posición en un "espacio de momento" abstracto. En estos espacios matemáticos pueden estudiarse ciertas propiedades del material, que pueden distinguirse entre sí según criterios topológicos, de forma similar a lo que ocurre con los donuts y los panecillos.
"Encontrar tales propiedades topológicas es algo emocionante en sí mismo; en 2016 se concedió el Premio Nobel de Física por los descubrimientos de tales estados", afirma la profesora Silke Bühler-Paschen, del Instituto de Física del Estado Sólido de la Universidad Técnica de Viena. "Pero ahora hemos podido demostrar algo completamente nuevo: hemos logrado por primera vez manipular e incluso desconectar dichos estados topológicos".
Efectos topológicos extremos en portadores de carga lentos
Para ello se utilizó un material especial hecho de cerio, bismuto y paladio. El grupo de investigación de Bühler-Paschen ya había hecho varios descubrimientos espectaculares en años anteriores utilizando este material. Por ejemplo, pudieron demostrar un comportamiento topológico exótico en este material midiendo con precisión sus propiedades eléctricas o térmicas.
Este comportamiento se debe a que la carga eléctrica de este material se mueve de forma peculiar. En un material conductor eléctrico ordinario, la corriente fluye simplemente por los electrones individuales que se mueven a través del material. En este material especial, sin embargo, es diferente. La interacción de muchos portadores de carga crea aquí unas "cuasipartículas" muy especiales: una excitación colectiva de los portadores de carga que puede propagarse a través del material, de forma similar a como el sonido puede propagarse a través del aire como una onda de densidad sin que las partículas de aire individuales tengan que moverse desde la fuente de sonido hasta el receptor de sonido.
Estas excitaciones se mueven muy lentamente en este material. En cierto sentido, no se superan muy bien. Y esto lleva a que las propiedades topológicas del material en el espacio del momento tengan consecuencias especialmente fuertes en este caso.
Desactivación de las propiedades topológicas
"Nuestras mediciones muestran que estas propiedades eléctricas y térmicas son realmente robustas, como cabría esperar de las propiedades topológicas del material", afirma Bühler-Paschen. Pequeñas impurezas o perturbaciones externas no provocan un cambio drástico. "Pero, sorprendentemente, lo descubrimos: con un campo magnético externo, se pueden controlar estas propiedades topológicas. Incluso se pueden hacer desaparecer por completo en un punto determinado. Así que tenemos propiedades estables y robustas que puedes activar y desactivar selectivamente".
Este control es posible gracias a la estructura interna de las excitaciones, que son responsables del transporte de carga: No sólo llevan carga eléctrica, sino también un momento magnético, lo que hace posible su activación mediante un campo magnético.
"Si se aplica un campo magnético externo cada vez más fuerte, se puede imaginar que estos portadores de carga se acercan cada vez más hasta que se encuentran y se aniquilan mutuamente, de forma similar a lo que ocurre con una partícula de materia y otra de antimateria si se las deja colisionar", explica Silke Bühler-Paschen.
Búsqueda mundial de aplicaciones interesantes
Los experimentos se llevaron a cabo en la Universidad Técnica de Viena, pero para algunas mediciones adicionales el equipo pudo utilizar laboratorios de alto campo en Nimega (Países Bajos) y en el Laboratorio Nacional de Los Álamos (EE.UU.). La Universidad de Rice (EE.UU.) proporcionó apoyo teórico.
"Esta capacidad de control recién descubierta hace que los materiales topológicos, que ya han atraído tanta atención en la física, sean aún más interesantes", está convencida Silke Bühler-Paschen. Posiblemente, los estados topológicos conmutables podrían utilizarse para la tecnología de sensores o de conmutación. Precisamente porque las excitaciones en el material son tan lentas y, por tanto, tienen una energía muy baja, son especialmente interesantes: las excitaciones se acoplan a la radiación en el rango de las microondas, que es especialmente importante para muchas aplicaciones técnicas. También son concebibles aplicaciones totalmente nuevas y más exóticas en la electrónica, incluidos los ordenadores cuánticos.
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