Aislantes topológicos en sólidos amorfos

Todos sabemos que hay materiales aislantes de la electricidad y otros que la conducen: en un cable eléctrico el cobre del interior es conductor y la protección plástica exterior es aislante. Sin embargo, existen materiales que son aislantes en su conjunto pero que conducen la electricidad en su superficie, son los llamados aislantes topológicos. Esta característica se debe a unos estados cuánticos muy particulares del material en su superficie. Lo interesante del asunto es que estos estados son robustos frente a defectos y otras imperfecciones, lo que hace que estos materiales se estén investigando intensamente porque son potencialmente útiles en computación cuántica y otras aplicaciones.

Todos los aislantes topológicos conocidos son cristales, es decir estructuras tridimensionales perfectamente ordenadas. Ahora, un nuevo trabajo teórico demuestra que los materiales amorfos, los llamados vidrios, también podrían ser aislantes topológicos. Esto podría dar lugar a la búsqueda de nuevos aislantes topológicos entre en abanico muchísimo más amplio de materiales posibles.

Los aislantes topológicos se caracterizan por ciertas simetrías. Por ejemplo, muchos aislantes topológicos son simétricos frente a la inversión del tiempo, lo que significa que las funciones de onda electrónicas que describen el estado no se ven alteradas por un cambio en la dirección del tiempo. Se dice que estas simetrías “protegen” los estados de la superficie, lo que significa que el sistema no puede cambiar a otro estado sin pasar por un cambio de fase. Actualmente la búsqueda de nuevos aislantes topológicos asume que las simetrías deseadas se generan en una estructura reticular ordenada, pero nada se opone a que estas simetrías aparezcan en un material no cristalino.

Los resultados, de momento una posibilidad teórica, sugieren que los aislantes topológicos podrían hacerse mediante la creación de vidrios con un fuerte acoplamiento espín-órbita o colocando al azar átomos de otros elementos en el interior de un aislante normal. De comprobarse que esto es cierto significará una pequeña revolución en el mundo de los materiales que tendrá un gran impacto en el rendimiento y el coste de los dispositivos del futuro.

Referencia:

Adhip Agarwala and Vijay B. Shenoy (2017) Topological Insulators in Amorphous Systems Physical Review Letters doi: 10.1103/PhysRevLett.118.236402

Sobre el autor: César Tomé López es divulgador científico y editor de Mapping Ignorance

Este texto es una colaboración del Cuaderno de Cultura Científica con Next

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