Madrid. Físicos de la Universidad de Princeton observaron un nuevo efecto cuántico denominado topología híbrida en un material cristalino.

Este hallazgo abre una nueva gama de posibilidades de desarrollar materiales y tecnologías eficientes para la ciencia y la ingeniería cuánticas de próxima generación, según los investigadores.

El hallazgo, publicado en Nature, se produjo cuando los científicos descubrieron que un cristal sólido elemental hecho de átomos de arsénico (As) alberga una forma nunca antes observada de comportamiento cuántico topológico. Exploraron y obtuvieron imágenes de este nuevo estado cuántico utilizando un microscopio de efecto túnel (STM) y espectroscopia de fotoemisión, esta última una técnica usada para determinar la energía relativa de los electrones en moléculas y átomos.

Este estado combina, o hibrida, dos formas de comportamiento cuántico topológico: estados de borde y de superficie, dos tipos de sistemas cuánticos de electrones bidimensionales. Éstos se han observado en experimentos anteriores, pero nunca simultáneamente en el mismo material en el que se mezclan para formar un nuevo estado de la materia.

Este hallazgo fue completamente inesperado, señaló en un comunicado M. Zahid Hasan, profesor de física en la Universidad de Princeton, quien dirigió la investigación. Nadie lo predijo en teoría antes de su observación.

En los años recientes, el estudio de los estados topológicos de la materia ha atraído considerable atención entre físicos e ingenieros y actualmente es el foco de gran interés e investigación internacional. Esta área de estudio combina la física cuántica con la topología, una rama de las matemáticas teóricas que explora propiedades geométricas que pueden deformarse pero no cambiarse intrínsecamente.

Durante más de una década, los científicos han utilizado aisladores topológicos basados en bismuto (Bi) para demostrar y explorar efectos cuánticos exóticos en sólidos a granel, principalmente mediante la fabricación de materiales compuestos, como la mezcla de Bi con selenio (Se), por ejemplo. Sin embargo, con este experimento es la primera vez que se descubren efectos topológicos en cristales hechos de As.

La búsqueda y el descubrimiento de nuevas propiedades topológicas de la materia se han convertido en uno de los tesoros más buscados de la física moderna, tanto desde el punto de vista de la física fundamental como para encontrar aplicaciones potenciales en la ciencia e ingeniería cuánticas de próxima generación, explicó Hasan. El descubrimiento de este estado topológico creado en un sólido elemental fue posible gracias a múltiples avances experimentales innovadores e instrumentaciones en nuestro laboratorio de Princeton.

Un sólido elemental sirve como una valiosa plataforma experimental para probar varios conceptos de topología. Hasta ahora, el bismuto ha sido el único elemento que alberga un rico entramado de topología, lo que ha dado lugar a dos décadas de intensas actividades de investigación. Esto se atribuye en parte a la limpieza del material y a la facilidad de síntesis. Sin embargo, el descubrimiento actual de fenómenos topológicos aún más ricos en arsénico potencialmente allanará el camino para nuevas y sostenidas direcciones de investigación.

Por primera vez, demostramos que, al igual que diferentes fenómenos correlacionados, distintos órdenes topológicos también pueden interactuar y dar lugar a fenómenos cuánticos nuevos e interesantes, destacó Hasan.

Un material topológico es el componente principal usado para investigar los misterios de la topología cuántica. Actúa como aislante en su interior, lo que hace que los electrones de dentro no tengan libertad de movimiento y, por tanto, no conduzcan electricidad.