Miles de materiales 2D clasificados por topología y rotación
Imaginemos un material un millón de veces más fino que un milímetro, que no conduce la electricidad por su interior pero permite que esta fluya sin resistencia a lo largo de sus bordes. Si se corta en fragmentos más pequeños, sucede lo mismo: cada nueva pieza presenta un interior aislante, pero bordes perfectamente conductores. Este comportamiento extraordinario es la característica distintiva de un aislante topológico bidimensional, lo que hace que estos materiales resulten especialmente interesantes para la electrónica y las tecnologías cuánticas del futuro.
La Química Cuántica Topológica (TQC, por sus siglas en inglés) transformó de raíz la búsqueda computacional de aislantes topológicos y otros materiales con propiedades topológicas, lo que ha permitido desde entonces caracterizar la topología de miles de materiales. A pesar del gran éxito de esta teoría, las distintas simetrías presentes en los materiales bidimensionales (2D) —componentes básicos de la electrónica del futuro— han impedido que se les aplique de forma rigurosa la TQC.
Ahora, un artículo fruto de una colaboración internacional publicado en Science (titulado Two-dimensional topological quantum chemistry and catalog of topological materials) cubre ese vacío. Urko Petralanda , profesor adjunto del Departamento de Matemática Aplicada de la EHU, y Yi Jiang, del DIPC, comparten la primera autoría del estudio. El trabajo ofrece la adaptación de la citada teoría para explorar la topología de cualquier material monocapa o multicapa, así como un análisis exhaustivo de la estructura electrónica y la topología de cerca de 9.000 entradas bidimensionales procedentes de bases de datos computacionales de materiales.
Los investigadores analizaron 8.872 entradas de dos bases de datos e identificaron 4.073 materiales topológicos o con límite atómico obstruido (que tienen características similares a las topológicas en circunstancias muy específicas). “Resulta sorprendente que, en total, casi la mitad de los materiales sean topológicos u obstruidos”, comenta Petralanda.
Una plataforma para investigar fenómenos cuánticos
La nueva adaptación de la TQC a los materiales 2D aporta una nueva dimensión al marco teórico, abriendo un vasto panorama de materiales cuánticos pendientes de exploración. “En nuestro trabajo hemos ampliado en aproximadamente un orden de magnitud el catálogo de materiales 2D topológicos o con límite atómico obstruido. Esto es fundamental porque los materiales 2D se pueden combinar —podemos apilar muchos de ellos y ocupan poco espacio—, por lo que son y serán un pilar esencial de la electrónica actual y futura”, explica el investigador de la EHU.
En un trabajo paralelo, elaborado por un equipo multidisciplinar que abarca numerosas instituciones europeas, norteamericanas y chinas, titulado 2D theoretically twistable material database y publicado en Science el mismo día, se identifican materiales del primer estudio cuyas características los convierten en componentes prometedores para crear bicapas rotadas con propiedades exóticas, similares a las observadas en el grafeno de “ángulo mágico” (que dota al grafeno de características aislantes y superconductoras inesperadas). “Cada nueva familia de materiales rotados nos brinda la oportunidad de plantearnos una pregunta diferente sobre la materia cuántica. Queremos ir más allá y explorar el enorme abanico de fenómenos físicos que podrían emerger utilizando distintas capas y ángulos de retorcimiento”, comenta B. Andrei Bernevig, coordinador del trabajo, profesor de la Universidad de Princeton y profesor visitante Ikerbasque del DIPC.
El primer estudio amplía la química cuántica topológica a los materiales bidimensionales no magnéticos. Este marco relaciona la composición química y las simetrías cristalinas de un material con la topología de sus estados electrónicos. Ciertos patrones electrónicos poseen una notable robustez, y estos estados robustos ofrecen una plataforma para investigar fenómenos cuánticos y, en consecuencia, han inspirado propuestas para nuevos dispositivos electrónicos.
“La simetría de un cristal nos proporciona reglas sobre cómo pueden organizarse sus estados electrónicos. Desarrollamos dichas reglas para capas y las convertimos en herramientas que la comunidad investigadora puede aplicar a miles de materiales”, explica Luis Elcoro , catedrático del Departamento de Física de la EHU.
Paralelamente a los cálculos, el equipo desarrolló tablas cristalográficas, programas de análisis y la Base de Datos de Materiales Topológicos 2D, distinguiendo entre estructuras reportadas experimentalmente y candidatas obtenidas mediante cálculos. “Todas las tablas y herramientas desarrolladas han sido implementadas en el Bilbao Crystallographic Server (cryst.ehu.eus), un servidor de acceso libre y gratuito, en el que cualquier investigador puede reproducir los resultados obtenidos e incluso analizar las propiedades topológicas de otros materiales 2D”, añade Elcoro.
Los investigadores seleccionaron varios ejemplos de aislantes topológicos y materiales con topología obstruida, y realizaron simulaciones a gran escala para estudiar los estados de borde en cintas experimentalmente realistas.
Transformando bloques de construcción en materia cuántica
La base de datos compartida, creada por Nicolas Regnault coautor del trabajo e investigador de la Universidad de Princeton, permite comparar las capas individuales y seleccionar candidatas en función de los fenómenos físicos que se deseen estudiar. Para poner los resultados al alcance de la comunidad, se ha creado una base de datos de materiales bidimensionales que contiene todas las propiedades calculadas para las monocapas. “Al igual que las piezas de Lego, las monocapas pueden apilarse y retorcerse para crear plataformas totalmente nuevas con las que explorar fenómenos cuánticos. Nuestro catálogo sienta las bases de esta creciente línea de investigación”, afirman los investigadores.
Referencias:
U. Petralanda, Y. Jiang, H. Pi, M. G. Vergniory, B. A. Bernevig, N. Regnault, and L. Elcoro (2026) Two-dimensional topological quantum chemistry and catalog of topological materials Science doi: 10.1126/science.adu2107
Y. Jiang, U. Petralanda, H. Pi, G. Skorupskii, Q. Xu, D. Calugaru, H. Hu, J. Xie, R. A. Mustaf, P. Hohn, V. Haase, A. Ouahchi, S. Samal, J. Zhu, D. Yang, Z. Geng, G. Avedissian, Y. Wang, M. G. Vergniory, M. Claassen, et al. (2026) 2D theoretically twistable material database Science doi:10.1126/science.adu1550
Tomé López, C. (2026) Computation sorts thousands of 2D crystals for topology and twisting Mapping Ignorance
Edición realizada por César Tomé López a partir de materiales suministrados por UPV/EHU Komunikazioa
