En un importante paso adelante para un área de investigación que obtuvo el Premio Nobel de Física 2016, un equipo internacional descubrió que las sustancias con comportamientos electrónicos exóticos llamados materiales topológicos son, de hecho, bastante comunes e incluyen elementos cotidianos como el arsénico y el oroEl equipo creó un catálogo en línea para facilitar el diseño de nuevos materiales topológicos utilizando elementos de la tabla periódica.
Estos materiales tienen propiedades inesperadas y extrañas que han cambiado la comprensión de los científicos sobre cómo se comportan los electrones. Los investigadores esperan que estas sustancias puedan formar la base de tecnologías del futuro, como dispositivos de baja potencia y computación cuántica.
"Una vez que se realizó el análisis y se corrigieron todos los errores, el resultado fue sorprendente: más de una cuarta parte de todos los materiales exhiben algún tipo de topología", dijo B. Andrei Bernevig, autor principal del artículo y profesor de física enPrinceton: "La topología es omnipresente en los materiales, no esotérica".
Los materiales topológicos son intrigantes porque sus superficies pueden conducir electricidad sin resistencia, por lo que son potencialmente más rápidos y más eficientes energéticamente que las tecnologías actuales. Su nombre proviene de una teoría subyacente que se basa en la topología, una rama de las matemáticas que describe los objetos por sucapacidad de estirarse o doblarse
El comienzo de la comprensión teórica de estos estados de la materia formó la base del Premio Nobel de Física 2016, compartido entre el profesor de la Universidad de Princeton F. Duncan Haldane, el Profesor de Física de la Universidad de Sherman Fairchild, J. Michael Kosterlitz de la Universidad de Brown,y David J. Thouless, Universidad de Washington, Seattle.
Hasta ahora, solo unos pocos cientos de los más de 200,000 materiales cristalinos inorgánicos conocidos han sido caracterizados como topológicos, y se pensaba que eran anomalías.
"Cuando esté completamente completado, este catálogo marcará el comienzo de una nueva era de diseño de materiales topológicos", dijo Bernevig. "Este es el comienzo de un nuevo tipo de tabla periódica donde los compuestos y elementos se indexan por sus propiedades topológicas en lugar de por másmedios tradicionales "
El equipo internacional incluyó investigadores de Princeton; el Centro Internacional de Física Donostia en San Sebastián, España; la Fundación Vasca para la Ciencia IKERBASQUE; la Universidad del País Vasco; Ecole Normale Superieure Paris y el Centro Nacional Francés de Investigación Científica; y elInstituto Max Planck de Física Química de Sólidos.
El equipo investigó cerca de 25,000 materiales inorgánicos cuyas estructuras atómicas se conocen experimentalmente con precisión, y se clasificaron en la Base de datos de estructura cristalina inorgánica. Los resultados muestran que, en lugar de ser raros, más del 27 por ciento de los materiales en la naturaleza son topológicos.
La base de datos recién creada permite a los visitantes seleccionar elementos de la tabla periódica para crear compuestos que el usuario puede explorar por sus propiedades topológicas. Actualmente se están analizando y colocando más materiales en una base de datos para su futura publicación.
Dos factores permitieron la compleja tarea de clasificar topológicamente los 25,000 compuestos.
Primero, hace dos años, algunos de los autores actuales desarrollaron una teoría, conocida como química cuántica topológica y publicada en Naturaleza en 2017, que permitió la clasificación de las propiedades topológicas de cualquier material a partir del simple conocimiento de las posiciones y la naturaleza de sus átomos.
Segundo, en el estudio actual, el equipo aplicó esta teoría a los compuestos en la Base de Datos de Estructura Cristalina Inorgánica. Al hacerlo, los autores necesitaban idear, escribir y modificar una gran cantidad de instrucciones computarizadas para calcular las energías de los electrones enlos materiales.
"Tuvimos que entrar en estos viejos programas y agregar nuevos módulos que computarían las propiedades electrónicas requeridas", dijo Zhijun Wang, quien era investigador asociado postdoctoral en Princeton y ahora es profesor en el Laboratorio Nacional de Física de la Materia Condensada de Beijingy el Instituto de Física, Academia China de Ciencias.
"Luego necesitábamos analizar estos resultados y calcular sus propiedades topológicas basadas en nuestra metodología de química cuántica topológica recientemente desarrollada", dijo Luis Elcoro, profesor de la Universidad del País Vasco en Bilbao, España.
Los autores escribieron varios conjuntos de códigos que obtienen y analizan la topología de electrones en materiales reales. Los autores han puesto estos códigos a disposición del público a través del Servidor Cristalográfico de Bilbao. Con la ayuda del Centro de Supercomputadora Max Planck en Garching, Alemania, los investigadores luego corrieron sus códigos en los 25,000 compuestos.
"Computacionalmente, fue algo increíblemente intenso", dijo Nicolas Regnault, profesor de la Ecole Normale Superieure, París, y director de investigación en el Centro Nacional de Investigación Científica de Francia. "Afortunadamente, la teoría nos mostró que necesitamoscalcular solo una fracción de los datos que necesitábamos anteriormente. Necesitamos observar lo que el electrón 'hace' solo en parte del espacio de parámetros para obtener la topología del sistema ".
"Nuestra comprensión de los materiales se hizo mucho más rica debido a esta clasificación", dijo Maia García Vergniory, investigadora del Centro Internacional de Física Donostia en San Sebastián, España. "Es realmente la última línea de comprensión de las propiedades de los materiales".
Claudia Felser, profesora del Instituto Max Planck de Física Química de Sólidos en Dresden, Alemania, había predicho anteriormente que incluso el oro es topológico ". Muchas de las propiedades de los materiales que conocemos, como el color del oro- puede entenderse a través del razonamiento topológico ", dijo Felser.
El equipo ahora está trabajando para clasificar la naturaleza topológica de compuestos adicionales en la base de datos. Los siguientes pasos implican identificar los compuestos con la mejor versatilidad, conductividad y otras propiedades, y verificar experimentalmente su naturaleza topológica. "Uno puede soñar con untabla periódica topológica completa ", dijo Bernevig.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionados por Universidad de Princeton . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencia del diario :
Cite esta página :