Un equipo internacional de investigadores ha encontrado una manera de determinar si un cristal es un aislante topológico, y de predecir las estructuras cristalinas y las composiciones químicas en las que pueden surgir nuevas. Los resultados, publicados el 20 de julio en la revista Naturaleza , demuestre que los aislantes topológicos son mucho más comunes en la naturaleza de lo que se cree actualmente.
Los materiales topológicos, que prometen una amplia gama de aplicaciones tecnológicas debido a sus exóticas propiedades electrónicas, han atraído un gran interés teórico y experimental durante la última década, que culminó con el Premio Nobel de física 2016.Las propiedades incluyen la capacidad de la corriente de fluir sin resistencia y de responder de manera poco convencional a los campos eléctricos y magnéticos.
Hasta ahora, sin embargo, el descubrimiento de nuevos materiales topológicos se produjo principalmente por ensayo y error. El nuevo enfoque descrito esta semana permite a los investigadores identificar una gran serie de nuevos aislantes topológicos potenciales. La investigación representa un avance fundamental en la física de la topologíamateriales y cambia la forma en que se entienden las propiedades topológicas.
El equipo incluyó: en la Universidad de Princeton, Barry Bradlyn y Jennifer Cano, ambos investigadores asociados en el Centro Princeton de Ciencia Teórica, Zhijun Wang, investigador asociado postdoctoral, y B. Andrei Bernevig, profesor de física; los profesores Luis Elcoro yMois Aroyo en la Universidad del País Vasco en Bilbao; la profesora asistente Maia García Vergniory de la Universidad del País Vasco y el Centro Internacional de Física Donostia DIPC en España; y Claudia Felser, profesora en el Instituto Max Planck de Física Química de Sólidos enAlemania.
"Nuestro enfoque permite una forma mucho más fácil de encontrar materiales topológicos, evitando la necesidad de cálculos detallados", dijo Felser. "Para algunas redes especiales, podemos decir que, independientemente de si un material es un aislante o un metal,algo topológico sucederá ", agregó Bradlyn.
Según los investigadores, hasta ahora, de los aproximadamente 200,000 materiales catalogados en las bases de datos de materiales, se sabe que solo unos pocos cientos albergan el comportamiento topológico. "Esto planteó la pregunta para el equipo: ¿Son realmente tan escasos los materiales topológicos?¿esto simplemente refleja una comprensión incompleta de los sólidos? ", dijo Cano.
Para descubrirlo, los investigadores recurrieron a la teoría de la banda de sólidos de casi un siglo de antigüedad, considerada uno de los primeros logros históricos de la mecánica cuántica. Pionera del físico de origen suizo Felix Bloch y otros, la teoría describe los electrones en los cristales comoque residen en niveles de energía específicos conocidos como bandas. Si todos los estados en un grupo de bandas están llenos de electrones, entonces los electrones no pueden moverse y el material es un aislante. Si algunos de los estados están desocupados, entonces los electrones pueden moverse de un átomo a otro.átomo y el material es capaz de conducir una corriente eléctrica.
Sin embargo, debido a las propiedades de simetría de los cristales, los estados cuánticos de los electrones en los sólidos tienen propiedades especiales. Estos estados pueden describirse como un conjunto de bandas interconectadas caracterizadas por su momento, energía y forma. Las conexiones entre estas bandas, queen un gráfico se asemejan a hebras de espagueti enredadas, dan lugar a comportamientos topológicos como los de los electrones que pueden viajar en superficies o bordes sin resistencia.
El equipo utilizó una búsqueda sistemática para identificar muchas familias de materiales topológicos candidatos no descubiertos previamente. El enfoque combinó herramientas de campos tan dispares como la química, las matemáticas, la física y la ciencia de los materiales.
Primero, el equipo caracterizó todas las estructuras de bandas electrónicas posibles que surgen de orbitales electrónicos en todas las posiciones atómicas posibles para todos los patrones de cristal posibles, o grupos de simetría, que existen en la naturaleza, con la excepción de los cristales magnéticos. Para buscar bandas topológicas, el equipo primero encontró una manera de enumerar todas las bandas no topológicas permitidas, con el entendimiento de que todo lo que queda fuera de la lista debe ser topológico. Usando herramientas de la teoría de grupos, el equipo organizó en clases todas las posibles estructuras de bandas no topológicas quepuede surgir en la naturaleza.
Luego, al emplear una rama de las matemáticas conocida como teoría de grafos, el mismo enfoque utilizado por los motores de búsqueda para determinar los enlaces entre sitios web, el equipo determinó los patrones de conectividad permitidos para todas las estructuras de bandas. Las bandas pueden separarse ose conectan entre sí. Las herramientas matemáticas determinan todas las estructuras de banda posibles en la naturaleza, tanto topológicas como no topológicas. Pero al haber enumerado ya las no topológicas, el equipo pudo mostrar qué estructuras de banda son topológicas.
Al observar las propiedades de simetría y conectividad de diferentes cristales, el equipo identificó varias estructuras cristalinas que, en virtud de su conectividad de banda, deben albergar bandas topológicas. El equipo ha realizado todos los datos sobre bandas no topológicas y conectividad de bandadisponible para el público a través del Servidor Cristalográfico de Bilbao. "Utilizando estas herramientas, junto con nuestros resultados, los investigadores de todo el mundo pueden determinar rápidamente si un material de interés puede ser potencialmente topológico", dijo Elcoro.
La investigación muestra que la simetría, la topología, la química y la física tienen un papel fundamental que desempeñar en nuestra comprensión de los materiales, dijo Bernevig. "La nueva teoría incorpora dos ingredientes que faltaban anteriormente, la topología de banda y la hibridación orbital, en la teoría de Bloch y proporcionauna ruta prescriptiva para el descubrimiento y caracterización de metales y aislantes con propiedades topológicas "
David Vanderbilt, profesor de física y astronomía en la Universidad de Rutgers que no participó en el estudio, calificó el trabajo como notable. "La mayoría de nosotros pensamos que pasarían muchos años antes de que las posibilidades topológicas pudieran catalogarse exhaustivamente en este enorme espacio declases de cristal ", dijo Vanderbilt." Es por eso que el trabajo de Bradlyn y sus compañeros de trabajo es una sorpresa. Han desarrollado un conjunto notable de principios y algoritmos que les permiten construir este catálogo de un solo golpe. Además, elloshan combinado su enfoque teórico con métodos de búsqueda en la base de datos de materiales para hacer predicciones concretas de una gran cantidad de nuevos materiales aislantes topológicos ".
Los fundamentos teóricos para estos materiales, llamados "topológicos" porque se describen por propiedades que permanecen intactas cuando un objeto se estira, se tuerce o se deforma, llevaron a la entrega del Premio Nobel de física en 2016 a F. Duncan M.Haldane, profesor de física de la Universidad Sherman Fairchild de la Universidad de Princeton, J. Michael Kosterlitz de la Universidad de Brown y David J. Thouless de la Universidad de Washington.
La química y la física adoptan diferentes enfoques para describir los materiales cristalinos, en los cuales los átomos ocurren en patrones o simetrías ordenadas regularmente. Los químicos tienden a enfocarse en los átomos y sus nubes de electrones circundantes, conocidos como orbitales. Los físicos tienden a enfocarse en los electrones mismos, que pueden transportar corriente eléctrica cuando saltan de átomo a átomo y se describen por su impulso.
"Este simple hecho, que la física de los electrones se describe generalmente en términos de impulso, mientras que la química de los electrones se describe generalmente en términos de orbitales electrónicos, ha dejado el descubrimiento material en este campo a merced del azar".Wang dijo.
"Inicialmente nos propusimos comprender mejor la química de los materiales topológicos, para entender por qué algunos materiales tienen que ser topológicos", dijo Vergniory.
Aroyo agregó: "Lo que salió fue, sin embargo, mucho más interesante: una forma de casar la química, la física y las matemáticas que agrega el último ingrediente que falta en una teoría de la electrónica de un siglo de antigüedad, y en la búsqueda actual de topologíamateriales "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionados por Universidad de Princeton . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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