Cuando la Real Academia de las Ciencias de Suecia otorgó el Premio Nobel de Física 2016 a tres físicos teóricos – David Thouless, Duncan Haldane y Michael Kosterlitz –, anunciaron que “se abría una puerta a lo desconocido donde la materia puede adoptar estados insólitos”. El reconocimiento se debía al descubrimiento de la transición topológica y las fases topológicas de la materia – un cambio de fase muy sutil a nivel microscópico que produce fenómenos electrónicos singulares - que se ha convertido en una de las áreas más prolíficas en la investigación de la física de la materia condensada. Por el momento, se plantean posibles aplicaciones de estos materiales topológicos en la mejora del almacenamiento y transmisión de datos en componentes electrónicos o como plataformas para computación cuántica.
La característica fundamental que determina que un metal sea topológico es una propiedad de los electrones que lo componen conocida como el número de Chern, que es cero para un metal convencional. Este número, lejos de ser una abstracción matemática, determina la magnitud de varios fenómenos electrónicos exóticos, por lo que es de gran importancia conocer cuán grande puede llegar a ser en un material. Respondiendo a esta pregunta, un grupo internacional de investigadores, que incluye a la física Ikerbasque del Donostia International Physics Center (DIPC) Maia García-Vergniory y el físico Ikerbasque del DIPC Fernando de Juan, aporta nuevos aspectos relevantes en un estudio en cristales de paladio y galio (PdGa) publicado en Science.
“Los cristales de PdGa han resultado idóneos para la demostración que teníamos en mente: nuestros cálculos predecían efectos claramente observables pero eran necesarias muestras muy limpias que no se podían obtener con otros materiales” argumenta la investigadora Ikerbasque del DIPC Maia García-Vergniory, en relación a la elección de este compuesto de paladio y galio para el estudio. Las pruebas experimentales, en las que se ha determinado la estructura electrónica por fotoemisión de electrones mediante radiación de sincrotrón, se han llevado a cabo usando cristales de PdGa en las grandes instalaciones del Swiss Light Source (SLS) en Suiza y el Diamond Light Source en el Reino Unido.
“ Hasta ahora había sido imposible demostrar que ningún material alcanzara el número de Chern máximo. ” señala Fernando de Juan. “ Con la precisión de este experimento y el análisis teórico que hacemos podemos asegurar que este es el primer material donde ocurre”. En el caso del cristal de PdGa el número Chern ha alcanzado un valor de +4, el máximo posible.
El estudio también ha revelado información valiosa sobre el efecto de la quiralidad. Los científicos han hecho crecer cristales de PdGa con estructuras idénticas pero quiralidades opuestas, y han podido demostrar que este cambio afecta a sus propiedades electrónicas - concretamente, al signo del número de Chern, que pasa a ser el opuesto -. En el futuro, el grupo de investigación tiene intención de seguir estudiando el efecto de la quiralidad en otras estructuras cristalinas y analizar su relevancia en procesos de catálisis y su posible correlación con las propiedades topológicas.
El trabajo ha sido liderado por Niels Schröter del Paul Scherrer Institut (PSI) de Suiza, y además del Donostia International Physics Center e Ikerbasque, han participado investigadores del Instituto Max Planck de Físico-Química de Solidos (Alemania), el Instituto Federal Suizo para Materiales, Ciencia y Tecnología (EMPA), la Escuela Politécnica federal de Lausana (EPFL), la Universidad de Oxford (Reino Unido), Diamond Light Source (Reino Unido) y la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign (Estados Unidos).
Para consultar el artículo: DOI: 10.1126/science.aaz3480
.png)
