Una tabla periódica para materiales topológicos.

¿Qué es un material topológico?

Los materiales topológicos más interesantes son los aislantes topológicos, que son materiales aislantes en su mayor parte, pero conductores en la superficie. En estos materiales, los canales conductores por donde fluye la corriente electrónica son muy robustos. Persisten independientemente de algunas perturbaciones externas que se puedan tener en los experimentos, como un desorden débil o fluctuaciones de temperatura, y también son independientes del tamaño. Esto es muy interesante porque significa que estos materiales tienen una resistencia constante, una conductividad constante. Tener un control tan estricto de la corriente electrónica es útil para muchas aplicaciones.

¿Cuáles son algunos ejemplos de aisladores topológicos?

El ejemplo más conocido es probablemente el arseniuro de galio, que es un semiconductor bidimensional que se utiliza a menudo en experimentos sobre el efecto Hall cuántico entero. En la nueva generación de aisladores topológicos, el más conocido es el seleniuro de bismuto, pero no ha recibido tanta atención.

¿Por qué usted y sus colegas decidieron buscar nuevos materiales topológicos?

En ese momento, solo había unos pocos de ellos en el mercado y pensamos: "Está bien, si podemos desarrollar un método que pueda calcular o diagnosticar la topología rápidamente, podremos ver si hay materiales que tengan propiedades más optimizadas".

Un ejemplo de una propiedad optimizada es la banda prohibida electrónica. El hecho de que estos materiales sean aislantes en su mayor parte significa que en su mayor parte existe un rango de energías a través del cual los electrones no pueden pasar. Este rango de energía "prohibido" es la banda prohibida electrónica, y los electrones no pueden viajar en esa región aunque puedan existir en la superficie del material. Cuanto mayor sea la banda prohibida electrónica del material, mejor será el aislante topológico.

¿Cómo emprendiste la búsqueda de nuevos materiales topológicos?

Desarrollamos un algoritmo basado en las simetrías cristalinas de un material, algo que antes no se tenía en cuenta. La simetría del cristal es muy importante cuando se trata de topología porque ciertos materiales topológicos y algunas fases topológicas necesitan una simetría particular (o falta de simetría) para existir. Por ejemplo, el efecto Hall cuántico entero no necesita simetría alguna, pero sí necesita una simetría para romperse, que es la simetría de inversión del tiempo. Eso significa que el material debe ser magnético o necesitamos un campo magnético externo muy grande.

Pero otras fases topológicas sí necesitan simetrías, y logramos identificar qué simetrías eran. Luego, una vez que hubiéramos identificado todas las simetrías, podríamos clasificarlas, porque al final, eso es lo que hacen los físicos. Clasificamos las cosas.

Comenzamos a trabajar en la formulación teórica en 2017 y dos años después publicamos el primer artículo relacionado con esta formulación teórica. Pero es sólo ahora que finalmente hemos completado todo y lo publicó.

¿Quiénes fueron sus colaboradores en este esfuerzo y cómo contribuyó cada persona?

Diseñé (y, en parte, realicé) los cálculos de primeros principios en los que consideramos cómo simular materiales reales y "diagnosticar" si tenían propiedades topológicas. Para ello utilizamos códigos de última generación y códigos caseros que nos dicen cómo se comportan los electrones del material y cómo podemos clasificar las propiedades topológicas del material. La formulación teórica y el análisis fueron realizados por Benjamín Wieder y Luis Elcoro porque son físicos teóricos más duros. Ayudaron a analizar y clasificar las fases topológicas. Otro colaborador muy importante y protagonista de este proyecto fue Nicolás Regnault; Construimos el sitio web juntos y nos encargamos de diseñar el sitio web y la base de datos.

También contamos con la ayuda de stuart parkin y Claudia Felser. Son expertos en materiales, por lo que nos podrían aconsejar sobre si un material era adecuado o no. Y luego Andrei Bernevig Era el coordinador de todo. Ya llevábamos varios años trabajando juntos.

¿Y que encontraste?

Lo que descubrimos es que hay muchísimos materiales que tienen propiedades topológicas: decenas de miles de ellos.

¿Te sorprendió el número?

Sí. ¡Muy!

Dado lo omnipresentes que resultaron ser estas propiedades topológicas, parece casi sorprendente que usted se sorprendiera. ¿Por qué nadie se había dado cuenta antes?

No sé por qué la comunidad lo pasó por alto, pero no es sólo nuestra comunidad dentro de la ciencia de materiales y la física de la materia condensada la que lo pasó por alto. La mecánica cuántica existe desde hace un siglo y estas propiedades topológicas son sutiles, pero no muy complejas. Sin embargo, todos los “padres” inteligentes de la mecánica cuántica pasaron por alto por completo esta formulación teórica.

¿Alguien ha intentado sintetizar estos materiales y comprobar si realmente se comportan como aislantes topológicos?

Por supuesto, no todos han sido revisados, porque hay muchísimos. Pero algunos de ellos sí. Hay nuevos materiales topológicos que se han creado experimentalmente a raíz de este trabajo, como el aislante topológico de alto orden Bi4Br4.

El Base de datos de materiales topológicos La que usted y sus colegas construyeron se ha descrito como “una tabla periódica de materiales topológicos”. ¿Qué propiedades determinan su estructura?

Las propiedades topológicas están relacionadas con la corriente electrónica, que es una propiedad global del material. Una de las razones por las que los físicos tal vez no hayan pensado antes en la topología es que estaban muy centrados en las propiedades locales, en lugar de en las globales. Entonces, en este sentido, la propiedad importante está relacionada con la localización de la carga y cómo se define la carga en el espacio real.

Lo que encontramos es que si conocemos las simetrías cristalinas del material, podemos anticipar cuál va a ser o fluir el comportamiento de la carga. Y así es como podríamos clasificar las fases topológicas.

¿Cómo funciona la Base de Datos de Materiales Topológicos? ¿Qué hacen los investigadores cuando lo utilizan?

Primero, ingresan la fórmula química del material. Por ejemplo, si te interesa la sal, la fórmula es cloruro de sodio. Entonces pones NaCl en la base de datos y haces clic, y luego aparecen todas las propiedades. Es muy sencillo.

Espera, ¿estás diciendo que la sal de mesa común es un material topológico?

Sí.

¿En serio?

Sí.

Eso es increíble. Además de sorprender a la gente con las propiedades topológicas de materiales familiares, ¿qué impacto espera que tenga su base de datos en el campo?

Espero que ayude a los experimentadores a determinar qué materiales deberían cultivar. Ahora que hemos analizado el espectro completo de todas las propiedades de los materiales, los experimentadores deberían poder decir: "Está bien, este material está en un régimen de transporte de electrones que sabemos que no es bueno, pero si lo dopo con algunos electrones, entonces lo lograremos". llegar a un régimen muy interesante”. Así que esperamos, en cierto sentido, que ayude a los experimentadores a encontrar buenos materiales.

Últimamente se ha prestado mucha atención a los materiales topológicos debido a su posible vínculo con la computación cuántica. ¿Es eso un gran motivador en tu trabajo?

Está relacionado, pero cada campo tiene diferentes ramas, y yo diría que nuestro trabajo es en una rama diferente. Por supuesto, se necesita un material topológico como plataforma para desarrollar una computadora cuántica topológica utilizando cualquiera de los posibles qubits (bits cuánticos) que se han propuesto, así que lo que hicimos es importante para eso. Pero desarrollar una computadora cuántica topológica requerirá mucho más trabajo en el diseño de materiales porque la dimensión del material juega un papel importante. Estábamos analizando tres dimensiones y podría ser que, para las plataformas de computación cuántica, tuviéramos que centrarnos en sistemas 2D.

Sin embargo, existen otras aplicaciones. Podría utilizar la base de datos para buscar materiales para células solares, por ejemplo, o para catálisis, detectores o dispositivos electrónicos de baja disipación. Más allá de las aplicaciones súper exóticas, estas posibilidades del día a día también son muy importantes. Pero nuestra verdadera motivación para el trabajo fue comprender la física de la topología.

Ubicuidad de materiales topológicos revelados en catálogos que contienen miles de sustancias

¿Qué sigue para usted y sus colaboradores?

Me gustaría investigar sobre materiales orgánicos. La base de datos actual se centra en los materiales inorgánicos porque tomamos la base de datos de estructuras cristalinas inorgánicas como punto de partida, pero los materiales orgánicos también son muy interesantes. También me gustaría investigar más materiales magnéticos, porque en la base de datos se informan menos materiales magnéticos que no magnéticos. Y luego quiero observar los materiales que tienen simetrías quirales, es decir, que son simétricos, pero "entregados" porque tienen una versión izquierda y una versión derecha.

¿Crees que podría haber miles de materiales topológicos más entre los materiales orgánicos o magnéticos?

No sé. Depende del tamaño de la banda prohibida electrónica. ¡Ya veremos!