estados de superficie topológicos

La superficie de un cristal se parece a un escenario donde deberían representarse los efectos cuánticos. En el material MnBi2Te4, clasificado como aislante topológico magnético, por la superficie deberían correr estados electrónicos especiales, y el orden magnético abre en ellos una brecha de energía, una…

El pastel de capas de disulfuro de molibdeno MoS2 descansa sobre la mesa del laboratorio. Se prepara de la manera habitual: una cinta adhesiva arranca las capas superiores para obtener una muestra delgada. Pero bajo la cinta queda una cavidad invisible, donde los pisos atómicos ya no están apretados entre sí.

Una cerradura con dos llaves distintas: una gira con facilidad, la otra exige un esfuerzo notable. Así se comportan dos capas de nitruro de boro hexagonal cuando se giran una respecto a la otra. Este material está formado por átomos de boro y nitrógeno dispuestos en una red hexagonal, y sus capas pueden adoptar diferentes posiciones, como dos rejillas idénticas desplazadas un cierto ángulo.

Una película ultrafina de átomos de telurio, tantalio e iridio se comporta como un aislante en su interior, pero conduce corriente por los bordes. Esta propiedad —el efecto Hall cuántico de espín— promete una electrónica sin pérdidas.

Dos bailarines en un mismo escenario: el triángulo y la franja. En un gas cuántico de átomos de disprosio enfriado a 62 nanokelvins, estas dos estructuras espaciales se encontraron por primera vez en un mismo experimento. El gas se mantiene en una trampa que recuerda a una tabla de surf, y sus átomos están entre los más magnéticos de la tabla periódica.

Imagina una casa con paredes de corcho que de repente se cubre de láminas de cobre, pero solo cuando llegan las heladas. Algo así le ocurre al compuesto FeSb₂ cuando se fabrica en forma de película de unos pocos átomos de espesor. En condiciones normales, es un aislante de banda estrecha: sus electrones permanecen firmemente en sus lugares, como espectadores en una sala abarrotada.

Dos láminas transparentes con círculos dibujados. Si se superponen exactamente, los círculos coinciden. Pero basta con girar ligeramente una lámina para que aparezca un nuevo patrón: en unos sitios los círculos se agrupan, en otros se separan. Así funciona más o menos el efecto muaré: un dibujo inesperado que surge al girar dos estructuras periódicas.

Una molécula polar se parece a una pesa diminuta con cargas distintas en sus extremos. Normalmente, estas partículas se pegan o se separan rápidamente al encontrarse: las fuerzas eléctricas son demasiado fuertes. Pero los autores del trabajo encontraron la manera de convertir esa agresividad en un juego controlable.

El anillo se ensambló a partir de varios segmentos diferentes. En cada segmento, las partículas se comportan a su manera, como músicos con diferentes notas. Lo más interesante ocurre en las uniones: aquí las partículas a menudo se quedan atascadas, como un eco atrapado en un pasillo estrecho. Este fenómeno se llama efecto piel: las partículas se acumulan en el borde, como una multitud en la salida.

Doblar una hoja de papel es fácil. Pero comprimirla empujando desde el borde es harina de otro costal: el papel se arruga, pero apenas transmite la fuerza más allá. Así funciona la elasticidad ordinaria: la deformación depende de dónde y cómo se presione. La nueva red tridimensional lleva este contraste al extremo.

El libro está abierto por la mitad. Por el lomo corre la corriente, y las páginas permanecen frías. Así funciona un aislante topológico bidimensional: un material donde la electricidad fluye solo por los bordes, mientras el interior permanece inmóvil.

Las estrellas bosónicas son átomos gravitacionales. Solo que en lugar de carga eléctrica, el núcleo es la propia gravedad, que mantiene una nube de campo escalar en grumos cuantizados.

Una lámina de goma se comprime por dos lados. A primera vista, es una deformación ordinaria. Pero en el interior, en la profundidad del material, se despierta un orden oculto. No son solo arrugas en la superficie. Es el nacimiento de zonas especiales donde las vibraciones quedan atrapadas, como en una trampa. Antes se pensaba que tales efectos requerían intrincadas redes y estructuras periódicas.

En una piscina, el agua suele esparcirse en círculos desde la piedra que se lanza. Pero si se dirige el flujo estrictamente a lo largo del borde, el agua corre solo por el borde. Algo parecido se ha observado en trozos del cristal superconductor FeTe0.55Se0.45.

Buscas una habitación silenciosa para una conversación importante. Entras en el lugar y escuchas silencio. Pero al fijarte bien, resulta que en una esquina simplemente está rota la ventilación, y en la otra hay un hueco en el suelo que absorbe el sonido.

Una sartén larga y estrecha hace que un panqueque fino se congele en franjas irregulares. Durante décadas, los científicos vieron un panorama similar al modelar el comportamiento de los electrones en superconductores, materiales que conducen corriente sin pérdidas.

A mediados del siglo XX, Roger Penrose describió el agujero negro mediante el concepto de «superficie atrapada», una región donde incluso un rayo de luz dirigido hacia afuera cae inevitablemente hacia el centro. Una situación familiar para todos: el agua en el remolino del lavabo se va irremediablemente por el desagüe.

El nacimiento cuántico del universo se asemeja a un juego de dados, donde la probabilidad de sacar un seis es catastróficamente pequeña. El formalismo de Hawking y Hartle —una receta elegante para el nacimiento del mundo desde la atemporalidad— predijo durante décadas que un universo como el nuestro es un evento fantásticamente improbable.

Una piedra cae en un estanque y por el agua se expanden círculos. Rebotan en la orilla, se superponen, se apagan. Todo ese movimiento se despliega en el espacio. Pero, ¿qué ocurriría si el propio estanque cambiara por un instante su profundidad o densidad, no en un punto, sino en todas partes a la vez?

Una fila de personas que se dan la mano pero miran en direcciones opuestas: unas hacia el norte, otras hacia el sur. Así es un imán de onda p. En él, los electrones alinean sus momentos magnéticos (espines) no al azar, sino siguiendo un estricto patrón ondulatorio.

La luz, descubierta por Maxwell, se comporta de manera diferente en distintos medios. En un nuevo estudio se modeló un cristal bidimensional que absorbe luz y tiene propiedades magnéticas.

Una tela que se estira solo a lo largo, pero no a lo ancho. Así es aproximadamente un material semidirácico: en él, los electrones pueden moverse libremente en una dirección, mientras que en la otra apenas se desplazan. Debido a esta anisotropía inusual, en los bordes del cristal bidimensional aparecen caminos especiales: canales unidimensionales.

Una lámina de ditelururo de tungsteno de un átomo de grosor se parece a un papel de aluminio fino: los electrones no la atraviesan porque entre sus estados posibles hay una banda prohibida, como una zanja que no se puede saltar. Añade dos capas más, y la zanja desaparece: el material se vuelve metálico y la corriente fluye.

Un diapasón al que se le da un golpe se apaga: sus vibraciones se escapan al aire. Pero existen sistemas donde la oscilación no se amortigua, aunque alrededor haya muchas ondas libres dispuestas a llevarse la energía. Estos estados 'atrapados' son lo que los físicos llaman estados ligados en el continuo (BIC, por sus siglas en inglés).

Un alambre fino del nuevo material conduce electricidad sin pérdidas si se enfría a tres grados por encima del cero absoluto. Es como agua que fluye por una tubería sin encontrar fricción en las paredes. El material se llama PtPb3Bi y su peculiaridad es su estructura interna, similar a un haz de hilos: los electrones corren libremente a lo largo del hilo, pero saltan con dificultad entre hilos.

Un superconductor es como una ciudad donde la corriente eléctrica fluye sin semáforos ni atascos. Pero el cristal UTe2 tiene una particularidad: su superficie sigue reglas distintas a las del interior. En los átomos de telurio que se encuentran en la superficie, los electrones han encontrado una "escapatoria": estados con energías que dentro del cristal están prohibidas.

En una cadena de trampas, como en una hilera de fortalezas costeras, se posan los átomos. A su lado, un mar cuántico: el condensado de Bose-Einstein (una sustancia sin resistencia, donde las partículas se mueven como una sola onda).

El bismuto bidimensional sobre un sustrato de silicio es un material prometedor para la electrónica del futuro. Sus bordes conducen la corriente sin pérdidas, como una autopista de alta velocidad sin semáforos. Pero el bismuto es delicado: el aire y la humedad deterioran rápidamente sus propiedades.

Una cadena de átomos de fósforo rojo se parece a un tren, donde los vagones son los átomos y los acoplamientos entre ellos son los enlaces químicos. A veces los acoplamientos son más fuertes, a veces más débiles, y de eso depende cómo corren los electrones por el tren.

Una pila de tortitas idénticas en un plato es solo una pila. Pero si las colocas con un cierto orden, de repente aparece algo nuevo: por ejemplo, un patrón que no era visible en cada tortita por separado. Algo parecido han hecho los físicos con capas delgadas de materiales.

Una lagartija que cae de una rama no solo da volteretas: atrapa el aire con el cuerpo y convierte la caída en un deslizamiento. Los ingenieros llevan tiempo copiando esas maniobras, pero hasta ahora no existía un lenguaje común para comparar el planeo de una serpiente, una lagartija y un ala artificial.

Un hilo delgado de cristal α-Bi₄Br₄, una mezcla de bismuto y bromo, conduce la corriente no como un cable común. En su interior, la electricidad se mueve solo por los bordes, como agua por un canal sin tocar el fondo ni las paredes. Este comportamiento se llama aislamiento topológico: el interior no conduce, pero por la superficie o los bordes los electrones se deslizan sin pérdidas.

La luz normalmente tiende a dispersarse en todas direcciones, como las salpicaduras de una piedra lanzada al agua. Pero se puede atrapar en una jaula invisible donde gira en círculos casi sin perder energía. Eso es exactamente lo que lograron los físicos con el material magnético CrSBr, un cristal laminar que puede exfoliarse en láminas de unos pocos átomos de espesor.

En 1976, Gerard 't Hooft observó que el vacío de una teoría de gauge no es tan sencillo como parece: posee una estructura topológica que se manifiesta en una susceptibilidad topológica no nula.

Un aislante ordinario no conduce corriente ni en el interior ni en los bordes. Un aislante topológico es otra cosa: por dentro sigue siendo aislante, pero por los bordes deja pasar corriente eléctrica sin pérdidas.

La carga electrónica es como una planta rodante que cambia de campamento según la energía. En el cristal de diseleniuro de wolframio (WSe₂) esto se ve con total claridad: a un voltaje de −1.4 V, cercano al punto K de la zona de Brillouin, los máximos de corriente túnel aparecen en los centros de los hexágonos, donde no hay átomos.

En 1979, Su, Schrieffer y Heeger propusieron un modelo que explicaba las extrañas propiedades eléctricas del poliacetileno, un polímero orgánico que conduce la electricidad casi como un metal.