Una colaboración internacional ha creado un catálogo de materiales que podría ser muy útil para el desarrollo de las tecnologías cuánticas. Se trata del primer catálogo del mundo de materiales de banda plana, que podría reducir la influencia del azar en la búsqueda de nuevos materiales con propiedades cuánticas exóticas, tales como el magnetismo y la superconductividad. Estos materiales tendrían aplicaciones en dispositivos de memoria o en el transporte de energía sin disipación a través de largas distancias. Este trabajo, que se enmarca dentro de la iniciativa IKUR 2030 del Gobierno Vasco, ha sido publicado en Nature.
Encontrar los ingredientes adecuados para crear materiales con propiedades cuánticas exóticas ha sido una quimera para los científicos experimentales, debido a las numerosas combinaciones posibles de elementos a sintetizar. A partir de ahora, la creación de este tipo de materiales podría ser menos aleatoria gracias a una colaboración internacional liderada por Andrei Bernevig, profesor visitante Ikerbasque en el Donostia International Physics Center (DIPC) y profesor de la Universidad de Princeton, y Nicolas Regnault, de la Universidad de Princeton y la Ecole Normale Supérieure Paris, CNRS, con la participación de Luis Elcoro de la Universidad del País Vasco (UPV/EHU).
El equipo realizó una búsqueda sistemática de posibles candidatos en una enorme base de datos de 55.000 materiales. El proceso de eliminación se inició con la identificación de los llamados materiales de banda plana, es decir, estados electrónicos con energía cinética constante, donde el comportamiento de los electrones se rige principalmente por las interacciones con otros electrones. Sin embargo, los investigadores se dieron cuenta de que tener banda plana no es el único requisito, ya que cuando los electrones están demasiado unidos al átomo, éstos no pueden moverse y crear estados interesantes de la materia, aun estando en una banda plana. “La idea es que los electrones se vean entre sí, lo que se puede lograr asegurándonos de que estén extendidos en el espacio. Eso es exactamente lo que aportan las bandas topológicas”, según Nicolas Regnault.
La topología, como lo sugieren los tres premios Nobel de 1985, 1997 y 2016, juega un papel crucial en la física de la materia condensada moderna, ya que implica que algunas funciones de onda cuánticas estén extendidas, haciéndolas insensibles a perturbaciones locales, como por ejemplo impurezas. Esto a su vez hace que algunas propiedades físicas, tales como la resistencia, estén cuantificadas o generen estados superficiales perfectamente conductores. Afortunadamente, el equipo ha estado a la vanguardia de la caracterización de las propiedades topológicas de las bandas a través de su enfoque conocido como «química cuántica topológica«, proporcionándoles tanto una gran base de datos de materiales, como las herramientas teóricas para buscar bandas planas topológicas.
Mediante el empleo de herramientas que van desde métodos analíticos hasta búsquedas por fuerza bruta, el equipo encontró todos los materiales de banda plana que se conocen actualmente en la naturaleza. Este catálogo de materiales de banda plana está disponible en https://www.topologicalquantumchemistry.fr/flatbands e incluye su propio buscador.
“La comunidad científica puede ahora buscar bandas topológicas planas en los materiales. Hemos encontrado alrededor de 700 materiales (de los 55.000 materiales estudiados) que muestran bandas planas con un interés potencial”, dice Yuanfeng Xu, de la Universidad de Princeton y el Instituto Max Planck de Física de Microestructuras, uno de los dos autores principales del estudio. «Nos hemos asegurado de que los materiales que identificamos son candidatos prometedores para la síntesis química», enfatiza Leslie Schoop del departamento de química de Princeton. El equipo ha ido más allá en la clasificación de las propiedades topológicas de estas bandas, mostrando además qué tipo de electrones deslocalizados albergan.
Ahora que este gran catálogo está completo, el equipo comenzará a trabajar con los materiales más prometedores para descubrir experimentalmente el potencial de nuevos estados de interacción. “Ahora que sabemos dónde buscar, necesitamos fabricar estos materiales”, dice Claudia Felser del Instituto Max Planck de Física Química de Sólidos. “Tenemos un equipo experimental excepcional trabajando con nosotros. Están ansiosos por medir las propiedades físicas de estos materiales candidatos potenciales y ver qué excitantes fenómenos cuánticos surgen”.
El catálogo de bandas planas representa el fruto de años de investigación del equipo. “Muchas personas, muchas instituciones y universidades a las que presentamos el proyecto nos dijeron que esto era demasiado difícil y que nunca se podría hacer. Nos tomó varios años, pero lo logramos”, dice Andrei Bernevig.
Referencia:
Nicolas Regnault, Yuanfeng Xu, Ming-Rui Li, Da-Shuai Ma, Milena Jovanovic, Ali Yazdani, Stuart S. P. Parkin, Claudia Felser, Leslie M. Schoop, N. Phuan Ong, Robert J. Cava, Luis Elcoro, Zhi-Da Song & B. Andrei Bernevig (2022) Catalogue of flat-band stoichiometric materials Nature doi: 10.1038/s41586-022-04519-1
Más información:
A powerful search engine for flatband stoichiometric materials
Química Cuántica Topológica Magnética
Un catálogo de estructuras magnéticas topológicas
La teoría de bandas de los sólidos se hace topológica
Edición realizada por César Tomé López a partir de materiales suministrados por DIPC