La topología se vuelve magnética: La nueva ola de materiales magnéticos topológicos

La tabla periódica clasifica los elementos por sus propiedades químicas, como el número de electrones o la electronegatividad. Esta clasificación ha llevado a la predicción -y al posterior descubrimiento- de nuevos elementos. Análogamente, las estructuras electrónicas de los sólidos cristalinos no magnéticos -colecciones de elementos colocados con espaciamientos regulares- se han clasificado recientemente mediante una tabla periódica "topológica" basada en las completas teorías de la química cuántica topológica y los indicadores basados en la simetría. Sobre la base de la topología de sus funciones de ondas electrónicas, se han identificado decenas de miles de materiales topológicos no magnéticos, lo que ha dado lugar al descubrimiento de miles de nuevos aislantes topológicos.

A diferencia de sus homólogos no magnéticos, los compuestos magnéticos actualmente no pueden ser clasificados por métodos topológicos automatizados. En cambio, las investigaciones sobre materiales topológicos magnéticos se han realizado ad hoc, y han estado motivadas por sus posibles aplicaciones como convertidores termoeléctricos eficaces, componentes energéticamente eficientes en dispositivos microelectrónicos que podrían ser el núcleo de las computadoras cuánticas, o medios mejorados de almacenamiento magnético. Sin embargo, 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 -, los últimos 40 años de avances en el descubrimiento de materiales topológicos se han producido en gran medida en las áreas de los aislantes topológicos no magnéticos y los semimetales.

La relativa ausencia de materiales topológicos magnéticos candidatos puede atribuirse a las complicadas simetrías de los cristales magnéticos, y a las dificultades teóricas y experimentales que conlleva el modelado y la medición de los imanes cuánticos. En primer lugar, aunque se pueden buscar cientos de miles de compuestos conocidos por su estructura cristalina en bases de datos establecidas, sólo hay cientos de estructuras magnéticas medidas experimentalmente disponibles en las mayores bases de datos de materiales magnéticos. En segundo lugar, mientras que las estructuras no magnéticas se clasifican en sólo 230 grupos espaciales, los materiales magnéticos se clasifican por los 1.421 grupos espaciales magnéticos. "Además de esto, en todos los sistemas magnéticos, también debemos preocuparnos por los efectos de las interacciones electrón-electrón, que son notoriamente difíciles de modelar. Esto hace que la tarea de predecir los materiales topológicos magnéticos sea significativamente más complicada, incluso si los números fueran más favorables", dijo B. Andrei Bernevig, profesor de física de la Universidad de Princeton y uno de los autores del presente estudio que pretende remediar este problema.

En el estudio del grupo de Bernevig, publicado en Nature, un equipo internacional de investigadores del Instituto Max Planck de Halle y Dresde, la Universidad del País Vasco en Bilbao, la Fundación IKERBASQUE para la Ciencia, el Donostia International Physics Center (DIPC), el CNRS y la Ecole Normale Superieure de París, Francia; el Instituto Tecnológico de Massachusetts, la Universidad Técnica de Shanghai en Shanghai, China, la Universidad de Oxford y la Universidad de Princeton han dado un gran paso hacia el descubrimiento de materiales magnéticos con propiedades electrónicas topológicas no triviales.

"La clasificación y el diagnóstico de la topología de banda en materiales magnéticos cierra eficazmente el bucle iniciado hace 40 años en un campo cuya relevancia ha sido reforzada por los Premios Nobel de Física en 1985 y 2016", dice la autora Claudia Felser, directora del Instituto Max Planck de Dresde.

En 2017, un equipo de investigadores de la Universidad de Princeton, la Universidad del País Vasco, el Instituto Max Planck y el DIPC desarrollaron un nuevo y completo entendimiento de la estructura de las bandas en los materiales no magnéticos. "En esta teoría - la 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 forma que podía ser automatizada de manera efectiva", dijo Luis Elcoro, un profesor de la Universidad del País Vasco en Bilbao y co-autor de ambos estudios. El TQC representa un marco universal para predecir y caracterizar todas las posibles estructuras de bandas y materiales cristalinos y estequiométricos. El TQC se aplicó además a 35.000 compuestos no magnéticos establecidos experimentalmente, lo que condujo al descubrimiento de 15.000 nuevos materiales topológicos no magnéticos.

"Hemos identificado miles de materiales topológicos en los últimos dos años, mientras que sólo unos pocos cientos fueron identificados previamente en las últimas dos décadas. 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 en el crepúsculo. Ahora, la búsqueda de materiales topológicos no magnéticos es casi un ejercicio rutinario" - dijo Maia Vergniory, un profesor asistente de la Fundación IKERBASQUE para la Ciencia y el DIPC, y un co-autor de ambos estudios.

La investigación actual se ha centrado cada vez más en los compuestos magnéticos. Muy pocos materiales magnéticos han sido propuestos teóricamente para albergar fases topológicas magnéticas antiferromagnéticas, y sólo unos pocos han sido confirmados experimentalmente. "Se necesita una teoría equivalente a la TQC para lograr un éxito comparable en el estudio de los materiales magnéticos. Sin embargo, debido a que hay más de mil grupos de simetría magnética a considerar, el problema es esencialmente intratable por la fuerza bruta", dijo Benjamin Wieder, investigador postdoctoral del Instituto Tecnológico de Massachusetts y Princeton, y autor del presente estudio.

Los investigadores se enfrentaron a dos obstáculos principales para reproducir el éxito logrado con los materiales no magnéticos: por un lado, había que dilucidar la maquinaria teórica necesaria para analizar la topología de la banda de un determinado material magnético. "Vemos el conjunto completo de herramientas como un edificio. Mientras que los materiales no magnéticos representaban una robusta casa urbana, la teoría completa de los materiales magnéticos era esencialmente un rascacielos inacabado" - dijo Zhida Song, una investigadora postdoctoral en Princeton y autora del nuevo estudio. Para el descubrimiento de materiales topológicos, otro problema es que el número de materiales magnéticos cuya estructura magnética se conoce con detalle confiable 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 entradas. Sólo en la última década los científicos han intentado seriamente clasificar y recoger los datos estructurales de estos materiales magnéticos", añade el autor Nicolas Regnault, profesor de la Ecole Normale Superieure, CNRS, y Princeton.

"Afortunadamente, contamos con el asiduo trabajo de las personas que están detrás de la base de datos de estructuras magnéticas del Servidor Cristalino de Bilbao, que nos permitió introducir los datos 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 Servidor Cristalográfico de Bilbao, que está parcialmente desarrollado por el Prof. Elcoro. Tras una selección de los mejores candidatos potenciales, el equipo analizó 549 estructuras magnéticas aplicando primero los métodos ab-initio para obtener las simetrías magnéticas de las funciones de las ondas electrónicas, y luego construyendo una extensión magnética del TQC para determinar qué estructuras magnéticas albergaban una topología de banda electrónica no trivial. "Al final, hemos 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" añadió el Dr. Xu.

A pesar del bajo número absoluto de compuestos magnéticos en relación con los miles de materiales no magnéticos estudiados hasta ahora, los autores han encontrado una diversidad aún mayor de características fascinantes. "El número de perillas para estudios experimentales intrigantes, como el control de las transiciones de fase topológicas, parece ser mayor en los materiales magnéticos", dijo el Dr. Xu. "Ahora que hemos predicho nuevos materiales magnéticos topológicos, el siguiente paso es verificar experimentalmente sus propiedades topológicas", añadió la autora Yulin Chen, profesora en Oxford y Shanghai Tech.

Los investigadores también han creado una base de datos en línea para acceder libremente a los resultados del presente estudio. 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. Se espera 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 a una explosión aún mayor de descubrimientos en materiales magnéticos topológicos en los próximos años", concluyó Bernevig.