Un material topológico quiral con propiedades electrónicas desconocidas

Un equipo internacional de investigadores, con participación del Donostia International Physics Center (DIPC) del País Vasco, ha descubierto un material topológico dotado de quiralidad, la propiedad que tienen los objetos de no ser superponibles con su imagen especular. Se trata de un cristal de aluminio y platino con una configuración en forma de escalera espiral que confiere propiedades electrónicas nunca vistas.

Los materiales topológicos cogieron notoriedad al recibir el Premio Nobel de Física en 2016. Aunque los más conocidos son los aislantes topológicos –aislantes en su interior y conductores en su superficie– recientemente se ha producido un boom y físicos de todo el mundo trabajan prediciendo y descubriendo nuevas clases de estos materiales con propiedades electrónicas singulares.

Los expertos consideran que una de sus aplicaciones estrella estará en el campo de los ordenadores cuánticos para mejorar el almacenamiento y transmisión de datos, así como para reducir el consumo de energía en componentes electrónicos.

En este contexto, científicos del Donostia International Physics Center (DIPC), el Instituto Paul Scherrer en Zurich (Suiza), la Universidad de Oxford (Reino Unido), el Instituto Max Planck (Alemania) y la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign (Estados Unidos) han demostrado experimentalmente la existencia de materiales topológicos quirales. El avance se publica esta semana en la revista Nature Physics.

La quiralidad es la propiedad de un objeto de no ser superponible con su imagen especular, un fenómeno muy extendido en la naturaleza. Lo podemos ver, por ejemplo, en las manos: la izquierda no adopta la misma forma que la derecha aunque la giremos en diferentes direcciones. Solo se consigue si la invertimos con la ayuda de un espejo.

Trasladando este concepto a los materiales, significa que en algunos cristales la espiral imaginaria que forman sus átomos gira en el sentido de las agujas del reloj de forma invariable y en otras en contra. Los materiales quirales son muy interesantes porque pueden albergar fenómenos físicos ‘raros’ y desconocidos.

En este estudio se demuestra que un cristal quiral especial de aluminio y platino (PtAl) tiene propiedades muy singulares a nivel electrónico. Se trata de nuevos fermiones o pseudopartículas cuya existencia se predijo en 1941 y ya adelantaron hace un par de años los dos investigadores Ikerbasque del DIPC que participan en el estudio, Maia García-Vergniory y Fernando de Juan. Sus trabajos permitieron predecir y clasificar teóricamente cientos de nuevos materiales topológicos basándose en su simetría.

Fernando de Juan y Maia García-Vergniory, los dos investigadores Ikerbasque del DIPC que han participado en el estudio. (Fotos: DIPC)

Los experimentos se han llevado a cabo en Oxford con una muestra cúbica de medio centímetro de ancho y de aspecto metálico blanco plateado. El cristal se produjo utilizando un proceso únicamente reproducible en contados laboratorios a nivel mundial.

En las celdas de este cristal, que se repiten simétricamente, los átomos individuales se disponen en forma de escalera de caracol. Esto da lugar a nuevas propiedades de comportamiento electrónico para el cristal en su conjunto.

“Estamos contentos de estar entre los primeros que encuentran un material como este”, afirman los autores, en referencia a otros tres equipos que han encontrado materiales topológicos quirales con otras composiciones químicas al mismo tiempo que ellos. “El descubrimiento de materiales topológicos quirales abre todo un mar de posibilidades para encontrar nuevos fenómenos exóticos” concluyen. (Fuente: SINC)