En una investigación pionera, físicos de instituciones de Argentina, Bélgica y Francia lograron establecer un puente entre la teoría y la parte experimental del revolucionario campo de la física de los “materiales topológicos”. Su aporte central fue extender una fórmula bien conocida en física de la materia condensada –la “fórmula de Streda”– para aplicarla a sistemas sometidos a campos periódicos en el tiempo, conocidos como “sistemas de Floquet”.
Así, descubrieron que esos sistemas muestran dos tipos de comportamiento completamente diferentes: existe un flujo de estados, o de partículas, que ocurre de manera convencional entre los bordes y el interior del material; pero también registraron, utilizando técnicas matemáticas que no se habían aplicado antes en este campo de la física, un fenómeno novedoso: un flujo de energía inesperada, que hallaron que es resultado del intercambio de energía entre el material y la luz que lo está modulando.
¿Qué son los materiales topológicos?
Se trata de sistemas físicos -de miles de átomos- que en fase topológica poseen propiedades inusuales, por ejemplo en cómo se conduce la carga eléctrica en ellos: son muy buenos conductores en su borde pero aislantes en su interior. Son además muy resistentes a perturbaciones o imperfecciones del material. En 2016, el Premio Nobel de Física fue otorgado a científicos que habían realizado aportes teóricos pioneros en este campo, que resulta de gran interés por sus posibles aplicaciones en la computación cuántica.
Estos materiales están compuestos con una estructura electrónica única que les confiere propiedades cuánticas y de conductividad específicas y robustas, derivadas de la topología de su “espacio de momento” electrónico. A diferencia de los materiales comunes, en un aislante topológico, el interior es aislante pero sus superficies o bordes son conductores y estos estados conductivos están protegidos topológicamente, lo que los hace resistentes a imperfecciones. Algunas aplicaciones potenciales incluyen la computación cuántica y dispositivos espintrónicos.
Materiales cuánticos
“Los sistemas Floquet que analizamos en nuestro trabajo pueden ser cuánticos o no, y están sometidos a una excitación periódica, como campos eléctricos o de luz que varían de manera regular, ya sea continua o pulsada, que permite generar o diseñar propiedades a medida. La topología en estos sistemas se ha estudiado en grafeno irradiado, semiconductores, átomos fríos, sistemas fotónicos y otras plataformas”, explicó Lucila Peralta Gavensky, física argentina, egresada del Instituto Balseiro y primera autora del artículo. El mismo fue publicado el 10 de septiembre en la prestigiosa revista “Physical Review X”.
“En general, nos interesa entender cómo responden estos sistemas a perturbaciones externas, en este caso un campo magnético, y cómo esa respuesta refleja su topología”, agregó Peralta Gavensky. “Los resultados que reportamos en nuestro artículo permiten traducir conceptos abstractos de topología a cantidades físicas observables en sistemas dinámicos, proporcionando un marco teórico que puede guiar futuras mediciones y experimentos”, agregó la investigadora, que es investigadora postdoctoral del FNRS en la Universidad Libre de Bruselas (ULB) de Bélgica.
Otro autor del trabajo, Gonzalo Usaj, docente del Instituto Balseiro e investigador del CONICET en el Centro Atómico Bariloche (CNEA) y del Instituto de Nanociencia y Nanotecnología (INN-Bariloche), explicó que la topología en sí es una rama de la Matemática que estudia cómo distintos objetos matemáticos, como por ejemplo superficies bidimensionales embebidas en 3 dimensiones, como lo es una esfera, cambian cuando se los quiere deformar o alterar de manera suave, sin romperlos y volverlos a unir. Es decir, sin alterar la naturaleza de los objetos.
Material topológico
Una esfera y una taza “sin manija” tienen la misma topología, pero una taza con manija es topológicamente equivalente a una dona: ambos objetos tienen un “agujero”. Y así ocurre con otros objetos que comparten sus propiedades de forma independiente a su forma o tamaño pero dependiente de su cantidad de “agujeros”, describió Usaj. Y agregó: “Lo que caracteriza a la topología en ese caso es el número de agujeros. Desde el punto de vista matemático, este es el ‘invariante topológico’ asociado a lo que se conoce como teorema de Gauss-Bonnet en geometría diferencial”.
Asimismo, el físico explicó que las funciones de onda tienen “invariantes topológicos” asociados también, es decir, expresiones matemáticas que caracterizan a la topología de un sistema dado, que se reflejan en la aparición de distintas propiedades físicas. “Sorprendentemente, esas propiedades están cuantizadas, es decir, toman valores discretos bien definidos. Esta exquisita precisión en la cuantización es lo que se utiliza hoy en día, por ejemplo, para definir la unidad internacional de resistencia eléctrica mediante lo que se conoce como efecto Hall cuántico”, detalló.
La nota completa de Laura García Oviedo para el Área de Comunicación Institucional y Prensa del Instituto Balseiro:
https://www.ib.edu.ar/lograron-un-aporte-clave-para-comprender-un-extrano-tipo-de-material
