La tabla periódica clasifica los elementos por sus propiedades químicas, como el número de electrones o la electronegatividad. Esta clasificación en su día condujo a la predicción – y al posterior descubrimiento – de nuevos elementos. Análogamente, los sólidos cristalinos no magnéticos – colecciones de elementos colocados con espaciamientos regulares – recientemente se han clasificado mediante una tabla periódica “topológica” basada en las teorías de la Química Cuántica Topológica e Indicadores de Simetría. A partir de la cual, se han identificado decenas de miles de materiales topológicos no magnéticos, lo que ha llevado al descubrimiento de miles de nuevos aislantes topológicos.

Sin embargo, a diferencia de sus homólogos no magnéticos, hasta ahora los compuestos magnéticos no podían clasificarse aplicando métodos topológicos automatizados. En su lugar, las investigaciones sobre materiales topológicos magnéticos se venían realizando ad hoc, motivadas por sus posibles aplicaciones como conversores termoeléctricos eficaces, componentes de dispositivos microelectrónicos energéticamente eficientes que podrían constituir el núcleo de las computadoras cuánticas, o soportes de almacenamiento magnético mejorados. Aunque los primeros estudios teóricos de los materiales topológicos y sus propiedades a principios de la década de 1980 se concibieron en sistemas magnéticos – esfuerzos que fueron premiados con el Premio Nobel de Física en 2016 –, paradójicamente, los últimos 40 años de avances en el descubrimiento de materiales topológicos se han producido en gran medida en aislantes y semimetales topológicos no magnéticos.

La relativa ausencia de candidatos a materiales magnéticos topológicos puede atribuirse a las complicadas simetrías de los cristales magnéticos, y a las dificultades teóricas y experimentales que conlleva la simulación y medición de los imanes cuánticos. Por un lado, mientras que en las bases de datos existentes se pueden buscar cientos de miles de compuestos conocidos por su estructura cristalina, en las bases de datos de materiales magnéticos más grandes sólo hay unos cientos de estructuras magnéticas medidas experimentalmente. Por otro, mientras que las estructuras no magnéticas se clasifican en sólo 230 grupos espaciales, los materiales magnéticos se clasifican según 1.421 grupos espaciales magnéticos. “Además de esto, en todos los sistemas magnéticos, también debemos tener en cuenta otras interacciones, que son mucho más difíciles de simular. Esto hace que la tarea de predecir materiales topológicos magnéticos sea significativamente más complicada, incluso aunque los números fueran más favorables”, afirma B. Andrei Bernevig, profesor de física de la Universidad de Princeton y coautor del estudio que pretende remediar este problema.

En el trabajo del grupo de Bernevig, publicado en la revista Nature esta misma semana, un equipo internacional formado por investigadores del Instituto Max Planck de Halle y Dresden, la Universidad del País Vasco (UPV/EHU), la Fundación Ikerbasque, el Donostia International Physics Center (DIPC), el CNRS y la Ecole Normale Superieure de París, el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), la Universidad Técnica de Shanghai, la Universidad de Oxford y la Universidad de Princeton ha dado un gran paso hacia el descubrimiento de materiales magnéticos con propiedades electrónicas topológicas no triviales.

Previamente, en 2017, un equipo de investigadores de la Universidad de Princeton, UPV/EHU, el Instituto Max Planck y el DIPC desarrollaron un completo y novedoso enfoque para entender la estructura de bandas en materiales no magnéticos.  “En esta teoría, llamada Química Cuántica Topológica (TQC), vinculamos las características topológicas de un material con su química subyacente. Esto convirtió la búsqueda de materiales topológicos no magnéticos en una tarea que podía ser automatizada de manera efectiva”, señala Luis Elcoro, profesor de la Facultad de Ciencia y Tecnología de la UPV/EHU y coautor de ambos estudios. El TQC representa un marco universal para predecir y caracterizar todas las posibles estructuras de bandas y materiales cristalinos. El TQC se aplicó a 35.000 compuestos no magnéticos conocidos experimentalmente y condujo al descubrimiento de 15.000 nuevos materiales topológicos.

“En los últimos dos años hemos identificado miles de materiales topológicos, mientras que en las últimas dos décadas sólo se habían identificado unos pocos cientos de ellos. Antes de la aplicación de estas novedosas herramientas, la búsqueda de nuevos materiales con estas sorprendentes propiedades era como buscar una aguja en un pajar al anochecer. Ahora, la búsqueda de materiales topológicos no magnéticos es casi un ejercicio rutinario” dice Maia G. Vergniory, investigadora asociada Ikerbasque en el DIPC, y coautora también de ambos estudios.

Para reproducir el éxito logrado con los materiales no magnéticos los investigadores se enfrentaban a dos obstáculos principales: por un lado, la maquinaria teórica que hay que dilucidar para analizar la topología de banda de un material magnético determinado es muy compleja. Y, por otro lado, el número de materiales magnéticos cuya estructura magnética se conoce con detalle de forma fiable es bastante pequeño. “Mientras que teníamos 200.000 compuestos no magnéticos para analizar, la mayor base de datos de estructuras magnéticas medidas experimentalmente tiene aproximadamente 1.000 registros”, aclara el Prof. Elcoro.

“Afortunadamente, contábamos con el minucioso trabajo de las personas que están detrás de la base de datos de estructuras magnéticas del Bilbao Crystallographic Server, lo que nos permitió introducir los parámetros iniciales correctos en nuestros modelos teóricos”, dice Yuanfeng Xu, investigador postdoctoral del Instituto Max Planck de Halle, y primer autor del presente estudio. La información magnética está alojada en el Bilbao Crystallographic Server (www.cryst.ehu.es), que ha sido en parte desarrollado por el Prof. Elcoro. Tras una selección de los mejores candidatos potenciales, el equipo analizó 549 estructuras magnéticas aplicando primero métodos ab-initio –  simulaciones de primeros principios que no usan parámetros iniciales empíricos – para obtener las simetrías magnéticas de las funciones de onda electrónicas, y luego, construyendo una extensión magnética de la TQC para determinar qué estructuras magnéticas albergaban una topología de banda electrónica no trivial. En el estudio han predicho la existencia de más de 100 materiales magnéticos topológicos. Asimismo, han encontrado que la proporción de materiales magnéticos topológicos (130 de 549) en la naturaleza parece ser similar a la proporción en los compuestos no magnéticos.

Los autores se muestran optimistas con los resultados, ya que, a pesar del reducido número absoluto de compuestos magnéticos en comparación con los miles de materiales no magnéticos estudiados hasta la fecha, han encontrado una mayor diversidad de características fascinantes que los hacen muy interesantes para diseñar futuros experimentos. “Ahora que hemos predicho nuevos materiales magnéticos topológicos, el siguiente paso es verificar experimentalmente sus propiedades topológicas”, dice G. Vergniory.

Los investigadores también han creado una base de datos en línea para acceder libremente a los resultados del presente estudio: www.topologicalquantumchemistry.fr/magnetic. Utilizando diferentes herramientas de búsqueda, los usuarios pueden explorar las propiedades topológicas de las más de 500 estructuras magnéticas analizadas. “Hemos sentado las bases de un catálogo de estructuras magnéticas topológicas”, afirma Elcoro. Es de esperar que la estandarización del uso de la simetría magnética en entornos experimentales y teóricos, acompañada de la adopción generalizada de las herramientas desarrolladas en este trabajo, conduzca en los próximos años a una gran explosión de descubrimientos en materiales magnéticos.