Los materiales llamados aislantes topológicos son aquéllos que no dejan pasar la corriente eléctrica en su volumen, pero sí sobre su superficie. A diferencia de los conductores habituales, como los metales, la corriente no sufre ninguna pérdida de energía al circular en la superficie de un aislante topológico. Esta propiedad abre grandes posibilidades de aplicación en electrónica, pues facilitaría la fabricación de dispositivos más eficientes y rápidos, propiedades muy deseables habida cuenta del rápido avance de la demanda energética mundial asociada a la electrónica. No es de extrañar, por tanto, que el descubrimiento de los aislantes topológicos hace aproximadamente una década causase que la investigación en nanotecnología y en física de la materia condensada dedicase buena parte de sus recursos a ellos.

Uno de los retos durante estos años de intensa investigación, por las aplicaciones tecnológicas que podría tener en las tecnologías de la información, por ejemplo, ha sido la creación de un aislante topológico magnético. Hasta hace poco el magnetismo se introducía en los aislantes topológicos no-magnéticos exclusivamente por la llamada vía extrínseca, que consiste en añadir átomos que confieren propiedades magnéticas. Sin embargo, gracias al esfuerzo de un grupo de investigadores del Centro de Física de Materiales (CFM, centro mixto CSIC-UPV/EHU), el Donostia International Physics Center (DIPC) y la Universidad del País Vasco (UPV/EHU) ahora ya es posible fabricar un aislante topológico magnético intrínseco, esto es, que tiene propiedades magnéticas por su propia naturaleza. Los resultados se han publicado en Nature y han merecido un análisis en News & Views.

El equipo formado por los investigadores Mikhail Otrokov, Evgueni Chulkov, María Blanco Rey y Pedro M. Etxenike, ha logrado predecir teóricamente el primer aislante topológico magnético, el telururo de bismuto y manganeso, de fórmula química MnBi₂Te₄. El investigador Ikerbasque y líder del estudio, Mikhail Otrokov, afirma que «el trabajo previo desde diferentes enfoques nos llevó a la conclusión de que la ruta intrínseca era la única viable hoy en día. Entonces dirigimos nuestros esfuerzos a encontrar un aislante topológico magnético intrínseco basándonos en experiencias previas, gracias a las cuales supimos qué estructura cristalina y composición atómica debía tener tal material».

La confirmación experimental de la predicción ha sido un trabajo que ha involucrado a investigadores expertos en distintas áreas de centros de investigación de referencia de Rusia, Azerbaiyán, Alemania, Austria, Japón, Italia y los EE.UU, coordinados por los investigadores de los centros vascos. Otrokov ha explicado que para la confirmación experimental la primera tarea fue la síntesis de los cristales del compuesto por parte de los expertos en síntesis química. Una vez sintetizadas, las muestras fueron sometidas a multitud de experimentos de caracterización estructural, magnética, electrónica, de transporte, de composición atómica, etc. que han permitido verificar las características predichas.

«El MnBi₂Te₄ además de ser un aislante topológico con propiedades magnéticas intrínsecas, ha resultado ser un material antiferromagnético, tal y como habíamos calculado», explica Blanco. El antiferromagnetismo consiste en un orden magnético a escala atómica tal que el material carece de magnetización neta. Por ello estos materiales son mucho más robustos frente a perturbaciones por imanes.

El telururo de bismuto y manganeso tiene un gran potencial tanto a nivel fundamental como a nivel tecnológico. Es extraordinariamente rico en propiedades exóticas, como, por ejemplo, varios efectos de Hall, incluido el efecto Hall cuántico, algunos de los cuales se utilizan en la calibración de constantes físicas por su excepcional precisión. El MnBi₂Te₄ también se puede usar para la creación de los llamados fermiones de Majorana. Un tipo de partícula que se ha llegado a considerar la piedra angular de la computación cuántica. Asimismo, el MnBi₂Te₄ es el primer material intrínseco para el que se predice una respuesta electromagnética muy similar a la de un axión, una hipotética partícula postulada en el marco de la cromodinámica cuántica, que es buena candidata para resolver el problema de la materia oscura. Por ello se están diseñado muchos experimentos dirigidos precisamente a la detección de señales de un comportamiento de tipo axión en la familia de este compuesto.

Los resultados del estudio, que ya habían sido publicados en arXiv y difundidos en charlas impartidas por los autores en congresos internacionales, han sido bien recibidos por la comunidad científica internacional. A día de hoy el MnBi₂Te₄ y otros materiales basados en él se están estudiando en decenas de centros de investigación, siendo los radicados en EE.UU. y China los que muestran una actividad más intensa.

Ya se han patentado ya varios dispositivos basados en los aislantes topológicos magnéticos. Así, el MnBi₂Te₄ puede ser utilizado en las interconexiones quirales de los circuitos integrados, que prometen un rendimiento superior a las conexiones de cobre ordinarias que se emplean actualmente en los circuitos disponibles comercialmente. Otras aplicaciones incluyen moduladores ópticos, sensores de campo magnético y elementos de memoria.

Los investigadores, junto a su red de colaboradores internacionales, esperan poder observar en el MnBi₂Te₄ algunas de las exóticas propiedades mencionadas y descubrir nuevos aislantes topológicos magnéticos intrínsecos con características incluso superiores que las del propio MnBi₂Te₄.

Referencia:

M. M. Otrokov, I. I. Klimovskikh, H. Bentmann, D. Estyunin, A. Zeugner, Z. S. Aliev, S. Gaß, A. U. B. Wolter, A. V. Koroleva, A. M. Shikin, M. Blanco-Rey, M. Hoffmann, I. P. Rusinov, A. Yu. Vyazovskaya, S. V. Eremeev, Yu. M. Koroteev, V. M. Kuznetsov, F. Freyse, J. Sánchez-Barriga, I. R. Amiraslanov, M. B. Babanly, N. T. Mamedov, N. A. Abdullayev, V. N. Zverev, A. Alfonsov, V. Kataev, B. Büchner, E. F. Schwier, S. Kumar, A. Kimura, L. Petaccia, G. Di Santo, R. C. Vidal, S. Schatz, K. Kißner, M. Ünzelmann, C. H. Min, Simon Moser, T. R. F. Peixoto, F. Reinert, A. Ernst, P. M. Echenique, A. Isaeva and E. V. Chulkov.(2019) Prediction and observation of an antiferromagnetic topological insulator. Nature doi: 10.1038/s41586-019-1840-9

Edición realizada por César Tomé López a partir de materiales suministrados por UPV/EHU Komunikazioa