Por primera vez, los f\u00edsicos han observado nuevos efectos cu\u00e1nticos en un aislador topol\u00f3gico a temperatura ambiente. Este avance, publicado como art\u00edculo de portada de la edici\u00f3n de octubre de Nature Materials, se produjo cuando los cient\u00edficos de Princeton exploraron un material topol\u00f3gico basado en el elemento bismuto.<\/p>\n\n\n\n
Los cient\u00edficos han utilizado aisladores topol\u00f3gicos para demostrar los efectos cu\u00e1nticos durante m\u00e1s de una d\u00e9cada, pero este experimento es la primera vez que se observan estos efectos a temperatura ambiente. Por lo general, inducir y observar estados cu\u00e1nticos en aisladores topol\u00f3gicos requiere temperaturas alrededor del cero absoluto, lo que equivale a -273\u00b0C.<\/p>\n\n\n\n
Este hallazgo abre una nueva gama de posibilidades para el desarrollo de tecnolog\u00edas cu\u00e1nticas eficientes, como la electr\u00f3nica basada en esp\u00edn, que potencialmente puede reemplazar muchos sistemas electr\u00f3nicos actuales para una mayor eficiencia energ\u00e9tica. En los \u00faltimos a\u00f1os, el estudio de los estados topol\u00f3gicos de la materia ha atra\u00eddo una atenci\u00f3n considerable entre f\u00edsicos e ingenieros y actualmente es el foco de gran inter\u00e9s e investigaci\u00f3n internacional. Esta \u00e1rea de estudio combina la f\u00edsica cu\u00e1ntica con la topolog\u00eda, una rama de las matem\u00e1ticas te\u00f3ricas que explora las propiedades geom\u00e9tricas que se pueden deformar pero no cambiar intr\u00ednsecamente.<\/p>\n\n\n\n
“Las nuevas propiedades topol\u00f3gicas de la materia se han convertido en uno de los tesoros m\u00e1s buscados de la f\u00edsica moderna, tanto desde el punto de vista de la f\u00edsica fundamental como para encontrar aplicaciones potenciales en la ingenier\u00eda cu\u00e1ntica y las nanotecnolog\u00edas de pr\u00f3xima generaci\u00f3n”, dijo M. Zahid Hasan, profesor del Eugene Higgins de F\u00edsica en la Universidad de Princeton, quien dirigi\u00f3 la investigaci\u00f3n.<\/p>\n\n\n\n
“Este trabajo fue posible gracias a m\u00faltiples avances experimentales innovadores en nuestro laboratorio en Princeton”, agreg\u00f3 Hasan.<\/p>\n\n\n\n
El principal componente del dispositivo utilizado para investigar los misterios de la topolog\u00eda cu\u00e1ntica se denomina aislador topol\u00f3gico. Este es un dispositivo \u00fanico que act\u00faa como aislante en su interior, lo que significa que los electrones en su interior no tienen libertad de movimiento y por lo tanto no conducen la electricidad.<\/p>\n\n\n\n
Sin embargo, los electrones en los bordes del dispositivo pueden moverse libremente, lo que significa que son conductores. Adem\u00e1s, debido a las propiedades especiales de la topolog\u00eda, los electrones que fluyen a lo largo de los bordes no se ven obstaculizados por ning\u00fan defecto o deformaci\u00f3n. Este dispositivo tiene el potencial no solo de mejorar la tecnolog\u00eda sino tambi\u00e9n de generar una mayor comprensi\u00f3n de la materia misma al probar las propiedades electr\u00f3nicas cu\u00e1nticas.<\/p>\n\n\n\n
Sin embargo, hasta ahora ha habido un obst\u00e1culo importante en la b\u00fasqueda de utilizar los materiales y dispositivos para aplicaciones en dispositivos funcionales. “Hay mucho inter\u00e9s en los materiales topol\u00f3gicos y la gente a menudo habla de su gran potencial para aplicaciones pr\u00e1cticas”, dijo Hasan, “pero hasta que alg\u00fan efecto topol\u00f3gico cu\u00e1ntico macrosc\u00f3pico pueda manifestarse a temperatura ambiente, es probable que estas aplicaciones no se realicen”.<\/p>\n\n\n\n
Esto se debe a que las temperaturas ambientales o altas crean lo que los f\u00edsicos llaman “ruido t\u00e9rmico”, que se define como un aumento de temperatura tal que los \u00e1tomos comienzan a vibrar violentamente. Esta acci\u00f3n puede alterar los delicados sistemas cu\u00e1nticos, colapsando as\u00ed el estado cu\u00e1ntico. En aisladores topol\u00f3gicos, en particular, estas temperaturas m\u00e1s altas crean una situaci\u00f3n en la que los electrones en la superficie del aislador invaden el interior, o “a granel”, del aislador, y hacen que los electrones all\u00ed tambi\u00e9n comiencen a conducir, lo que diluye o rompe el efecto cu\u00e1ntico especial.<\/p>\n\n\n\n
La forma de evitar esto es someter tales experimentos a temperaturas excepcionalmente fr\u00edas, t\u00edpicamente en o cerca del cero absoluto. A estas temperaturas incre\u00edblemente bajas, las part\u00edculas at\u00f3micas y subat\u00f3micas dejan de vibrar y, en consecuencia, son m\u00e1s f\u00e1ciles de manipular. Sin embargo, crear y mantener un entorno ultrafr\u00edo no es pr\u00e1ctico para muchas aplicaciones; es costoso, voluminoso y consume una cantidad considerable de energ\u00eda.<\/p>\n\n\n\n
Pero Hasan y su equipo han desarrollado una forma innovadora de evitar este problema. Bas\u00e1ndose en su experiencia con materiales topol\u00f3gicos y trabajando con muchos colaboradores, fabricaron un nuevo tipo de aislante topol\u00f3gico hecho de bromuro de bismuto (f\u00f3rmula qu\u00edmica \u03b1-Bi4Br4), que es un compuesto cristalino inorg\u00e1nico que a veces se usa para el tratamiento del agua y an\u00e1lisis qu\u00edmicos.<\/p>\n\n\n\n
“Es fant\u00e1stico que los hayamos encontrado sin una presi\u00f3n gigante o un campo magn\u00e9tico ultraalto, lo que hace que los materiales sean m\u00e1s accesibles para desarrollar tecnolog\u00eda cu\u00e1ntica de pr\u00f3xima generaci\u00f3n”, dijo Nana Shumiya, quien obtuvo su Ph.D. en Princeton, es investigador asociado postdoctoral en ingenier\u00eda el\u00e9ctrica e inform\u00e1tica, y es uno de los tres coautores del art\u00edculo.<\/p>\n\n\n\n
A\u00f1adi\u00f3: “Creo que nuestro descubrimiento har\u00e1 avanzar significativamente la frontera cu\u00e1ntica”.<\/p>\n\n\n\n
Las ra\u00edces del descubrimiento se encuentran en el funcionamiento del efecto Hall cu\u00e1ntico, una forma de efecto topol\u00f3gico que fue objeto del Premio Nobel de F\u00edsica en 1985. Desde entonces, las fases topol\u00f3gicas se han estudiado intensamente. Se han encontrado muchas clases nuevas de materiales cu\u00e1nticos con estructuras electr\u00f3nicas topol\u00f3gicas, incluidos aisladores topol\u00f3gicos, superconductores topol\u00f3gicos, imanes topol\u00f3gicos y semimetales de Weyl.<\/p>\n\n\n\n
Mientras se hac\u00edan r\u00e1pidamente descubrimientos experimentales, tambi\u00e9n progresaban los descubrimientos te\u00f3ricos. Conceptos te\u00f3ricos importantes sobre aisladores topol\u00f3gicos bidimensionales (2D) fueron presentados en 1988 por F. Duncan Haldane, profesor de f\u00edsica de la Universidad Sherman Fairchild en Princeton.<\/p>\n\n\n\n
Fue galardonado con el Premio Nobel de F\u00edsica en 2016 por los descubrimientos te\u00f3ricos de las transiciones de fase topol\u00f3gicas y un tipo de aisladores topol\u00f3gicos 2D. Los desarrollos te\u00f3ricos posteriores demostraron que los aisladores topol\u00f3gicos pueden tomar la forma de dos copias del modelo de Haldane basado en la interacci\u00f3n esp\u00edn-\u00f3rbita del electr\u00f3n.<\/p>\n\n\n\n