Revolucionario descubrimiento científico en Euskadi

Luis Elcoro, Maia García Vergniory y Mois Aroyo
Luis Elcoro, Maia García Vergniory y Mois Aroyo

Físicos de la UPV y el DIPC desarrollan un sistema para la detección de materiales que puedan ser a la vez aislantes y conductores de energía. La investigación es portada en 'Nature'

IRAITZ VÁZQUEZSan Sebastián

Un equipo internacional de investigadores en el que participan científicos de la Universidad del País Vasco (UPV-EHU) y del Donostia International Physics Center (DIPC), junto con otros de la Universidad de Princeton (EE UU) y del Instituto Max Planck de Dresden (Alemania), ha descubierto y desarrollado una nueva metodología para la detección de materiales que sean al mismo tiempo aislantes y conductores de energía, lo que puede suponer una auténtica revolución en el campo de la Física. El hallazgo abre la puerta a la detección de nuevas propiedades en los materiales, al desarrollo de nuevas aplicaciones en diferentes ámbitos y, en definitiva, supone «un gran paso adelante en la electrónica basada en materiales que disipan poca energía», como subrayan los científicos implicados.

La participación vasca en el descubrimiento ha corrido a cargo de los profesores Luis Elcoro y Mois Aroyo, del Departamento de Física de la Materia Condensada de la Facultad de Ciencia y Tecnología de la UPV/EHU y Maia García Vergniory, del Departamento de Física Aplicada II de la misma facultad de la UPV/EHU y también investigadora del DIPC.

La magnitud del descubrimiento queda patente en el hecho de que esta investigación es portada de la revista Nature, una de las más prestigiosas del ámbito científico pero poco dada a destacar trabajos puramente teóricos como este, cuyas aplicaciones concretas están aún por determinar.

El éxito de la investigación consiste en el desarrollo de una metodología nueva que permite conocer de manera sistemática si un material es capaz de actuar como aislante y conductor al mismo tiempo. Es decir, estudiar las propiedades topológicas de los materiales desde un nuevo paradigma. Los materiales topológicos son aquellos que en su interior no conducen electricidad pero en su superficie sí.

Un centenar de 200.000

Esta propiedad se descubrió hace apenas diez años y en este tiempo se han detectado tan solo un centenar de materiales que la posean, de los casi 200.000 que hay catalogados en las bases de datos de estructuras inorgánicas. El motivo es que para descubrir esta cualidad en un material, hasta la fecha hacía falta un arduo y laborioso trabajo de investigación. La virtualidad de la investigación desarrollada por el equipo en el que han participado los científicos de la UPV y del DIPC es que el método desarrollado permite determinar si un material es topológico de forma sistemática y eficaz, más sencilla, con lo que se espera que los investigadores sean capaces de hallar estas características en «muchísimos más» materiales. Para ello han recurrido a conceptos de las matemáticas, lo que también constituye una novedad.

De hecho, tanto la UPV como el DIPC aseguran que la investigación ha demostrado que los materiales que son aislantes y metales al mismo tiempo son más comunes en la naturaleza de lo que se pensaba.

Hasta hace prácticamente 10 años los materiales, según las teorías de física y química establecidas, se dividían en metales, semimetales y aislantes, siendo los materiales semiconductores un caso particular de estos últimos. Esa clasificación en tres grandes grupos se basa en lo que se conoce como 'teoría de bandas', que básicamente se fija en propiedades electrónicas y en cómo los enlaces entre los elementos químicos de un material influyen en esas propiedades. Desde el punto de vista físico, la asignación de un material a uno de esos tipos depende de la existencia o no de un salto energético entre las bandas de valencia y conducción y, si existe este salto, de su magnitud.

Tras un largo paréntesis sin descubrir nuevos estados o propiedades, en los últimos tiempos ha resurgido el interés en este área de conocimiento a raíz de la predicción, mediante la teoría de bandas convencional, de unos materiales que son aislantes en su interior, pero son conductores en la superficie, es decir, son aislantes y metales al mismo tiempo. Resulta, además, que ese estado conductor o metálico de la superficie apenas presenta pérdidas de energía a temperatura ambiente y es muy robusto frente a posibles impurezas: se dice que está protegido topológicamente.

El Nobel de 2016

El interés surgido a partir del descubrimiento de estos materiales topológicos con propiedades exóticas lo demuestra el hecho de que el Premio Nobel de Física de 2016 fue concedido a tres de los pioneros de este nuevo campo.

El grupo de investigación en el que han participado los científicos vascos ha utilizado su nueva teoría de 'química cuántica topológica' para caracterizar todos los tipos de bandas elementales posibles para todas las simetrías posibles, generando una especie de catálogo de consulta a disposición de toda la comunidad científica, en el cual investigadores de todo el mundo puedan buscar fácilmente candidatos de posibles materiales topológicos, y evitar tediosos y costosos cálculos computacionales. La técnica utilizada involucra buscar conexiones entre la teoría de bandas, que describe los niveles de energía de los electrones en un sólido, con la naturaleza topológica del material.

Toda esta información y las herramientas para su elaboración se encuentra disponible en el Bilbao Crystallographic Server, desarrollado y mantenido por personal docente e investigador de la UPV/EHU.

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