El campo de investigación que mereció el Premio Nobel de Física el año 2016 ha dado un gran paso adelante, al haber sido encontrado por un grupo de investigación internacional que las sustancias con comportamientos electrónicos exóticos, los llamados materiales topológicos, son en realidad bastante comunes, e incluyen elementos cotidianos como el arsénico y el oro. El grupo ha creado un catálogo online, para facilitar el diseño de nuevos materiales topológicos, utilizando elementos de la tabla periódica.

Las inesperadas y extrañas propiedades que muestran estos materiales han transformado el conocimiento científico sobre el comportamiento de los electrones. El grupo de investigación espera que estas sustancias puedan ser la base de las tecnologías del futuro, como los dispositivos de baja potencia o la computación cuántica. 

"Una vez que se realizó el análisis y se corrigieron todos los errores, el resultado fue asombroso: más de una cuarta parte de todos los materiales exhibe algún tipo de topología —comenta B. Andrei Bernevig, autor sénior del artículo y profesor de Física en Princeton—. La topología es ubicua en los materiales, no exótica".

Los materiales topológicos son interesantes porque sus superficies pueden conducir la electricidad sin resistencia, por lo que son potencialmente más rápidos y más eficientes energéticamente que las tecnologías actuales. Su nombre proviene de una teoría subyacente, basada en la topología, una rama de las matemáticas que describe los objetos por su capacidad de ser estirados o doblados. 

Los inicios del conocimiento teórico de estos estados de la materia exóticos constituyeron la base del Premio Nobel de Física de 2016, que compartieron el profesor de la Universidad de Princeton F. Duncan Haldane, el profesor de Física de Universidad Sherman Fairchild, J. Michael Kosterlitz de la Universidad Brown, y David J. Thouless, de la Universidad de Washington, Seattle.

Hasta la fecha, apenas se han caracterizados como topológicos unas pocas centenas de los más de 200.000 materiales inorgánicos cristalinos conocidos; se pensaba que eran singulares. "Cuando se complete, este catálogo dará paso a una nueva era en el diseño de materiales topológicos —declara Bernevig—. Es el comienzo de un nuevo tipo de tabla periódica donde los compuestos y elementos son clasificados por sus propiedades topológicas en lugar de por otros criterios más tradicionales".

El grupo internacional comprende miembros de la Universidad de Princeton; del Donostia International Physics Center e Ikerbasque; de la Universidad del País Vasco; de la École Normale Supérieure de Paris y el Centro Nacional Francés de Investigaciones Científicas; y del Instituto Max Planck para la Química Física del Estado Sólido.

El grupo ha investigado alrededor de 25.000 materiales inorgánicos, cuyas estructuras atómicas se conocen experimentalmente con precisión, y se encuentran clasificadas en la Base de Datos de Estructuras Cristalinas Inorgánicas. Los resultados muestran que lejos de ser raros, más del 27 % de los materiales que se encuentran en la naturaleza son topológicos.

El grupo ha puesto a disposición pública la base de datos recientemente creada en la siguiente dirección: www.topologicalquantumchemistry.com. En ella, se pueden seleccionar elementos de la tabla periódica para crear compuestos, cuyas propiedades topológicas podrán ser exploradas después por las personas usuarias. Actualmente se encuentran analizando y añadiendo más materiales a la base de datos para su futura publicación.

La compleja tarea de clasificar topológicamente los 25.000 compuestos se llevó a cabo apoyándose en dos factores. Primero, hace dos años, algunos de los autores del presente estudio desarrollaron una teoría, la química cuántica topológica, que publicaron en Nature en 2017, la cual permitió la clasificación en función de las propiedades topológicas de cualquier material, partiendo de conocimientos tan simples como las posiciones y la naturaleza de sus átomos. Y segundo, en el presente estudio, el grupo aplicó esta teoría a los compuestos de la Base de Datos de Estructuras Cristalinas Inorgánicas. Al hacerlo, los miembros del grupo tuvieron que idear, modificar y crear un gran número de códigos computacionales para calcular la energía de los electrones de los materiales.

“Tuvimos que entrar en esos viejos programas y añadir módulos que calcularan las propiedades electrónicas requeridas”, relata Zhijun Wang, anteriormente investigador posdoctoral asociado en Princeton y actualmente profesor en el Laboratorio Nacional para la Física de la Materia Condensada de Beijing y el Instituto de Física de la Academia China de las Ciencias.

“Posteriormente tuvimos que analizar esos resultados y calcular sus propiedades topológicas basándonos en nuestra metodología de química cuántica topológica recientemente desarrollada", detalla Luis Elcoro, profesor del Departamento de Física de la Materia Condensada de la UPV/EHU.

El grupo de investigación escribió diferentes conjuntos de códigos que identifican y analizan la topología de los electrones en materiales reales, y los pusieron a disposición pública a través del Bilbao Crystallographic Server (www.cryst.ehu.eus). Con la ayuda del Centro Max Planck de Supercomputación en Garching, Alemania, ejecutaron sus códigos para los 25.000 compuestos.

"Computacionalmente, fue un trabajo increíblemente intenso", recuerda Nicolas Regnault, profesor del École Normale Supérieure de Paris e investigador del Centro Nacional Francés para Investigación Científica. "Por suerte, teóricamente vimos que no necesitábamos calcular más que una fracción de los datos que necesitamos anteriormente. Debemos mirar lo que “hace” el electrón solo en parte del espacio de parámetros para obtener la topología del sistema".

"Nuestro conocimiento sobre los materiales es mucho más profundo gracias a esta clasificación", revela Maia Garcia Vergniory, investigadora del Donostia International Physics Center. "Estamos llegando realmente al núcleo del conocimiento sobre las propiedades de los materiales".

Claudia Felser, profesora del Instituto Max Planck para la Química Física del Estado Sólido en Dresde, Alemania, quien había predicho anteriormente que incluso el oro es topológico, remarca que "muchas de las propiedades de materiales que conocemos, como el color del oro, pueden ser entendidas mediante razonamiento topológico".

El grupo trabaja actualmente en la clasificación de la naturaleza topológica de los aproximadamente 45.000 compuestos que no forman parte de la base de datos “de alta calidad”. Los siguientes pasos incluyen identificar los compuestos con mayor versatilidad, conductividad y otra serie de propiedades, y verificar experimentalmente su naturaleza topológica. "Se podrá entonces imaginar una tabla periódica topológica completa", expone Bernevig.