Así es el "extraordinario" material que es conductor y aislante a la vez

El Premio Fundación BBVA Fronteras del Conocimiento en la categoría de Ciencias Básicas ha sido concedido en su undécima edición a los físicos Charles Kane y Eugene Mele, "por su descubrimiento de los aislantes topológicos, una nueva clase de materiales con propiedades electrónicas extraordinarias: se comportan como conductores en su superficie, pero como aislantes en su interior", señala el acta del jurado. 

El hallazgo de los aislantes topológicos supuso el descubrimiento de nuevas propiedades de la materia que siempre habían existido, pero que nadie hasta entonces se había planteado buscar. Poco después de que Kane y Mele predijeran su existencia, en 2005, la observación experimental ha sacado a la luz multitud de materiales que son aislantes topológicos. El estudio de sus propiedades y de sus potenciales aplicaciones, entre las que se incluyen el desarrollo de futuros ordenadores cuánticos, es ahora un área en plena explosión de actividad. 

Como explica el acta, el "sorprendente descubrimiento" de los aislantes topológicos demuestra "la existencia de nuevas fases de la materia y de formas de manipular sus propiedades. Es más, los principios básicos en que se sustentan los aislantes topológicos tienen implicaciones importantes más allá de la física de la materia condensada, por ejemplo en la generación de dispositivos fotónicos y electrónicos eficientes, o para el procesado de información cuántica".

La inspiración del grafeno

Charles Kane (Urbana, Illinois, EEUU, 1963) y Eugene Mele (Filadelfia, Pensilvania, EEUU, 1950) trabajan en la Universidad de Pensilvania, y colaboran habitualmente. El germen de su hallazgo de los aislantes topológicos fue el descubrimiento, en 2004, de las propiedades del grafeno como lámina de solo un átomo de espesor. Mele y Kane se dieron cuenta de que, curiosamente, el grafeno no era ni aislante ni conductor eléctrico, sino que "estaba en un punto crítico entre los dos estados", explicó ayer Mele por teléfono al conocer el fallo. "Empezamos a analizar este fenómeno y esto nos llevó al concepto de esta nueva fase aislante de la materia".

Hasta entonces, la física admitía solo dos tipos de materiales: conductores o aislantes. "Los materiales metálicos conducen la electricidad y los aislantes no", explica el acta. "Kane y Mele predijeron en 2005 que esta simple clasificación falla al no contemplar los aislantes topológicos, cuya existencia fue confirmada experimentalmente poco después". 

Los físicos galardonados propusieron en 2006 cómo construir un material real que fuera aislante topológico, y en efecto solo un año después un laboratorio logró una combinación de mercurio y telurio que cumplía las propiedades predichas. Pero era, como el grafeno, un material bidimensional –solo un átomo de grosor– muy difícil de sintetizar. La verdadera explosión del área llegó en la década siguiente, con el descubrimiento de que existen en la naturaleza aislantes topológicos tridimensionales, como el telururo de cadmio, un compuesto cristalino que se utiliza en la fabricación de células solares.

Este hecho también sorprendió a los galardonados: "Al principio pensábamos que [los aislantes topológicos] solo podían darse a escalas de energía demasiado pequeñas para ser útiles, pero después nos dimos cuenta de que también era posible en materiales tridimensionales y a escalas accesibles", dice Mele. "De hecho, nos dimos cuenta de que este fenómeno no es algo raro o excepcional en la naturaleza, sino que hasta entonces nadie se había hecho esta pregunta ni lo había buscado". 

Materiales robustos y resistentes a impurezas

Una cualidad que resulta crucial en estos materiales es que la conductividad en su superficie es "robusta en un sentido fundamental", señala el acta; esto significa que los materiales topológicos no se ven afectados por la presencia de impurezas o en general perturbaciones que sí interfieren con los conductores convencionales. 

Como explica Kane, "[en los aislantes topológicos] la superficie conductora es muy especial porque no se puede destruir, es muy robusta, y por ese motivo puedes hacer con ella cosas que no puedes hacer con otros materiales conductores. Es una nueva fase de la materia, un aislante que tiene capacidad garantizada de conducción en su superficie, y además es topológica, es decir, se puede deformar sin perder esa propiedad de conductividad".

Es esta propiedad la que abre la puerta a mejoras en los dispositivos electrónicos actuales, que por ejemplo podrían ser miniaturizados aún más. En los aislantes topológicos, "el flujo de electrones en la superficie está más organizado que en un conductor convencional, y esto podría permitir un flujo más eficiente, sin sobrecalentamiento", prosigue Kane. 

Sin embargo, las aplicaciones más prometedoras son las que aún no existen. Una conductividad garantizada, resistente a cualquier perturbación, es de gran interés para el desarrollo de ordenadores cuánticos, que multiplicarían la capacidad de computación de forma exponencial.

Aplicaciones aún no soñadas

Mele, en todo caso, está convencido de que "los avances más importantes llegarán de cosas que ni nos hemos planteado. Hemos aportado una paleta de nuevos materiales, y cuando le das esto a personas inteligentes, hacen cosas inteligentes con ellas. Si pudiera viajar en una máquina del tiempo a dentro de 50 años, me encantaría saber qué tipo de dispositivos se han desarrollado gracias a esta investigación básica sobre la materia".

Ambos galardonados destacan, no obstante, el valor de su hallazgo más allá de su aplicabilidad: "A mí lo que me motiva es descubrir la belleza de lo que la naturaleza es capaz de hacer", dice Kane. "Pueden surgir aplicaciones tecnológicas, pero a mí me fascina descubrir lo que puede hacer la naturaleza con los ladrillos aparentemente sencillos de que se compone la materia. Este hallazgo surgió de la pura curiosidad, para comprender cómo la materia es capaz de organizarse a sí misma. En aquel momento, no teníamos ni idea de que esto se iba a convertir en un campo tan amplio...".

"Si hubiera investigado pensando en la posible utilidad de mi trabajo a corto plazo, jamás hubiera descubierto los aislantes topológicos. Esto solo fue posible porque tuve la oportunidad y el lujo de seguir mis intereses y mis pasiones", concluye Kane. 

Mele, por su parte, resalta que "lo que me atrae especialmente de este campo es que el pensamiento subyacente es matemático, elegante, simple y bello. Esta fusión de una estructura matemática simple y su conexión con posibles innovaciones tecnológicas en el mundo real es justamente a lo que debe aspirar la ciencia".

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