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domingo, febrero 18

Aislantes topológicos, un quinto estado de la materia



(Extraído de un texto de David Navarro en el Heraldo de Aragón del 27 de agosto de 2017)

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¿Qué son los aislantes topológicos? «Se trata de un quinto estado de la materia. Según la manera de conducir la electricidad, la materia se clasifica en cinco estados. Por un lado, están los aislantes. Esos los conocemos bien, serían el plástico o madera: no dejan pasar la electricidad, por eso los cables están cubiertos por un plástico, para que no nos dé corriente», explica [David Serrate, investigador del Instituto Aragonés de Nanociencia (INA)]. Luego estarían los conductores, que dejan pasar bien la electricidad y que serían metales como el hierro o el cobre (material del interior de los cables). «Un tercer grupo serían los superconductores, que no ofrecen resistencia a la electricidad y podrían estar eternamente conduciéndola Superconductor sería el círculo que se usa en los aparatos de resonancia, en los hospitales. Generan tanto campo magnético que se pueden ver las moléculas. Y el cuarto estado de la materia son los semiconductores», añade el investigador. Estos últimos, los semiconductores, fueron introducidos en el grupo a mediados del siglo pasado, son entre conductor y aislante, lo que resulta muy práctico porque se puede controlar fácilmente cómo pasa por ellos la electricidad. «De este material están hechos los circuitos en la electrónica moderna, el semiconductor más popular sería el silicio».

Y llegamos entonces al quinto estado de la materia, a los aislantes topológicos. Solo hace quince años que se demostró que existía este estado, materiales cuyo interior es semiconductor pero su superficie es muy buena conductora. «Y lo más interesante es que las propiedades externas, el estado de esa superficie, no alteran las propiedades del interior. Es decir, se puede dañar la superficie, o bien tener polvo, suciedad…, y el estado seguiría siendo el mismo. La tipología del interior lo protege: los electrones de esta materia viven una geometría extraña que obliga a la superficie a comportarse de esta manera», aclara el investigador.

PUERTA CERRADA.
El quinto estado de la materia resultaba un caramelo para los desarrolladores de tecnología, ya que contar con una superficie que no se altera a pesar del polvo y suciedad simplifica muchos procesos. Su propio comportamiento también era atractivo, «la superficie tiene propiedades muy similares al grafeno, con electrones muy rápidos que pueden mostrar fenómenos cuánticos también rápidamente. Y tiene una propiedad más: la corriente de la superficie va en una dirección, no choca con electrones que circulan en la otra dirección». Para explicar estas 'direcciones', Serrate recuerda que los electrones tienen un momento magnético, un más o un menos. Es lo que se llama espín. Y ese espín es la base de los discos duros. «De ahí los famosos códigos binarios, esos unos y ceros. El uno indicaría una dirección de los electrones y el cero, la otra. Y los aislantes topológicos pueden transportar sin interferir en la otra dirección».

Así pues, el magnetismo es imprescindible para grabar información en un dispositivo electrónico, para realizar operaciones lógicas, para computación o para codificar la información en una fibra óptica. Es decir, para infinidad de aplicaciones que nos rodean en la vida cotidiana. Los aislantes topológicos, que transportan ese magnetismo de manera mucho más eficiente y que pueden trabajarse sin importar su superficie, serían un gran paso para el desarrollo tecnológico. ¿Dónde está entonces el problema? El único agente externo capaz de destruir ese estado de la materia es, precisamente, el magnetismo. Justo el agente que es capaz de extraer la máxima funcionalidad a este material. La puerta, durante años, ha estado cerrada. No había llave para el chalé de lujo.

Pero el equipo de Serrate ha abierto la cerradura. En colaboración con el Ames Laboratory de Iowa (Estados Unidos), que ha fabricado el material con el que experimentar, y de científicos del Donostia lnternational Physics Center, que sintetizaron ese material, desde el INA se ha encontrado la manera de compatibilizar magnetismo y aislante topológico. Los experimentos fueron realizados en el marco de la tesis doctoral de la estudiante de la Universidad de Zaragoza del Carmen Martínez.

En el Laboratorio de Microscopías Avanzadas se observó y manipuló la materia hasta comprobar que un desorden químico en concreto, inducido en la superficie de un aislante topológico, inhibe completamente su peculiar forma de conducir la corriente eléctrica. Y se abre así el camino para compatibilizar este prometedor estado de la materia con la arquitectura de los dispositivos electrónicos actuales.

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