La mayoría de las veces, cocinar es cuestión de seguir una receta: combine cantidades específicas de ingredientes específicos de la manera correcta y el resultado predecible es que terminará con una comida sabrosa.
Desafortunadamente, esas mismas reglas no se aplican en física.
A pesar de un profundo conocimiento de las propiedades de los átomos individuales, los "ingredientes" que forman un cristal, los científicos descubrieron que, cuando se combinan, a menudo muestran propiedades nuevas e inesperadas, haciendo esfuerzos para diseñar nuevos materiales con propiedades específicaspoco más que conjeturas.
Para hacer que ese proceso sea más predecible, el estudiante de posgrado de Harvard Hoi Chun Adrian Po, profesor de física Ashvin Vishwanath y el profesor de la universidad de Tokio, Haruki Watanabe, se unieron para producir un sistema que represente estructuras de bandas: bandas de energía, similares al orbital electrónico, queatravesar sólidos: para comprender rápidamente las propiedades de un material determinado. El estudio se describe en un artículo publicado recientemente en Avances científicos .
En la última década, dijo Vishwanath, el material que la mayoría de los investigadores están buscando son los llamados aislantes topológicos, materiales que son metálicos en el exterior, pero aislantes en el interior. Más recientemente, generalizaciones de aisladores topológicos llamados aislantes cristalinos topológicos yLos semimetales topológicos también han generado mucho interés. Las simetrías de los cristales juegan un papel destacado en hacer posibles estas fases.
"Gran parte del esfuerzo en los primeros días consistió en poder predecir si un material sería un aislante o metálico", dijo. "Pero hace unos 10 o 20 años, la gente se dio cuenta de que podíamos producir estos materiales topológicos,lo cual fue emocionante porque tienen propiedades electrónicas que son muy deseables. Por ejemplo, podrían explotarse para usar el giro del electrón, en lugar de su carga, para realizar el cálculo de una manera más eficiente energéticamente. También pueden ayudar a crear elhardware para una computadora cuántica topológica, una que realiza la computación de una manera radicalmente nueva.
"La comprensión de las estructuras de las bandas nos ayudaría a encontrar materiales reales con estas propiedades topológicas", dijo Vishwanath. "En este momento, la forma en que las personas hacen esto es más una conjetura ... y lo que estamos tratando de hacer es pensarcon formas eficientes de diagnosticar si el material o los materiales que le interesan tienen buenas posibilidades de tener propiedades topológicas ".
Pero predecir qué materiales son topológicos, dijo Vishwanath, es más fácil decirlo que hacerlo.
"El primer problema es la gran cantidad de formas en que los átomos pueden formar cristales", dijo. "Incluso si te olvidas de la complejidad química, olvida qué elementos están allí, solo en la estructura ... hay230 formas en que puedes juntar átomos en cristales "
La complejidad, sin embargo, no termina ahí: Watanabe, Po y Vishwanath estaban específicamente interesados en el magnetismo, y cuando eso se agrega a la mezcla, el número de estructuras posibles salta dramáticamente, a 1,651.
"Entonces hay una gran complejidad allí y ese es uno de los desafíos", dijo Vishwanath. "Si quisiéramos, podríamos llegar a una larga lista de opciones, pero esa es una solución muy poco elegante y no te dacualquier idea sobre el problema.
"Tomamos un enfoque diferente", continuó. "La idea clave era ... encontramos una manera de representar ciertos atributos clave de las estructuras de banda como un vector en algún espacio de alta dimensión".
Usando esa herramienta, Watanabe, Po y Vishwanath pudieron clasificar todas las 1,651 posibilidades de acuerdo a si eran simples aislantes, aislantes metálicos o topológicos.
"Si bien cada grupo de espacio magnético le habría tomado a un estudiante de posgrado un día averiguarlo, nuestra nueva formulación permite una automatización simple de la tarea que se completa en una computadora portátil para las 1,651 instancias en medio día", dijo Po.
Armado con esa información, dijo Vishwanath, los investigadores ahora pueden tomar decisiones más informadas al diseñar nuevos materiales.
"Esta es una forma de reducir las opciones", dijo. "Hay otras formas de hacerlo, pero nos gusta pensar que este enfoque tiene algunas ventajas".
Como ejemplo, señaló la tabla periódica, cuya organización está diseñada no solo para proporcionar información sobre varios elementos, sino también sobre cómo esos elementos están relacionados entre sí.
"Podría enumerar todos los elementos alfabéticamente, lo que facilitaría su búsqueda y búsqueda", dijo Vishwanath. "Pero la tabla periódica le brinda más información. Nuestro sistema es similar: podemos agrupar estructuras en función de cómoestán relacionados entre sí "
"En la literatura, ya existe una forma muy matemática la llamada teoría K de clasificar los aislantes topológicos", agregó Watanabe. "Sin embargo, este enfoque no se ha utilizado realmente para la búsqueda de materiales hasta ahora porquerequiere un alto nivel de matemática abstracta y es difícil de calcular. La ventaja de nuestro enfoque es su simplicidad: solo involucra álgebra lineal y teoría de grupo, las cuales son materias de pregrado en matemáticas. Esto significa que muchos investigadores en el mundo puedenimplementar el esquema ellos mismos y encontrar candidatos de materiales topológicos magnéticos "
En el futuro, Vishwanath y sus colegas están trabajando en estrecha colaboración con los científicos de materiales para utilizar el sistema para modelar las propiedades esperadas de los nuevos materiales, y continúan explorando qué información puede extraerse del sistema.
"De alguna manera, esto refleja nuestros intentos de comprender los átomos", dijo. "Lo que la física atómica hizo por la química fue organizar las cosas. Explicó la tabla periódica. Estamos tratando de obtener una comprensión similar no para átomos individuales, sinopara colecciones de átomos, y esperamos que este sea uno de los principios organizadores para eso "
Esta investigación fue apoyada con fondos de la National Science Foundation, un Premio Simons Investigator y la Sociedad Japonesa para la Promoción de la Ciencia.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionados por Universidad de Harvard . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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