La interacción entre Topología y Magnetismo tiene un brillante futuro

04.03.2022 - Alemania

El nuevo artículo de revisión sobre materiales topológicos magnéticos de Andrei Bernevig, de la Universidad de Princeton (EE.UU.), Haim Beidenkopf, del Instituto de Ciencias Weizmann (Israel), y Claudia Felser, del Instituto Max Planck de Física Química de los Sólidos (Dresde, Alemania), introduce el nuevo concepto teórico que entrelaza magnetismo y topología. Identifica y estudia posibles nuevos materiales magnéticos topológicos, y menciona sus posibles aplicaciones futuras en la electrónica de espín y cuántica y como materiales para la conversión eficiente de energía.

La revisión discute la conexión entre topología, simetría y magnetismo a un nivel adecuado para estudiantes de posgrado en física, química y ciencia de los materiales que tengan un conocimiento básico de la física de la materia condensada.

Los materiales magnéticos topológicos representan una clase de compuestos cuyas propiedades están fuertemente influenciadas por la topología de las funciones de onda electrónicas acopladas a su configuración de espín. La topología es un concepto sencillo que trata de las superficies de los objetos. La topología de una estructura matemática es idéntica si se conserva bajo una deformación continua. Una tortita tiene la misma topología que un cubo, un donut que una taza de café y un pretzel que una tabla con tres agujeros. La adición de espín ofrece una estructura adicional -un nuevo grado de libertad- para la realización de nuevos estados de la materia que no se conocen en los materiales no magnéticos. Los materiales topológicos magnéticos pueden soportar canales quirales de electrones y espines, y pueden utilizarse para una serie de aplicaciones que van desde el almacenamiento de información, el control del transporte de carga y espín sin disipación, hasta respuestas gigantes bajo estímulos externos como la temperatura y la luz.

La revisión resume los avances teóricos y experimentales logrados en el campo de los materiales topológicos magnéticos, comenzando por la predicción teórica del efecto Hall anómalo cuántico sin niveles de Landau, y conduciendo a los recientes descubrimientos de los semimetales magnéticos de Weyl y los aislantes topológicos antiferromagnéticos. Se describen los recientes avances teóricos que han dado lugar a la tabulación de todas las representaciones de los grupos de simetría magnéticos y la topología. Gracias a ello, todos los materiales magnéticos conocidos -incluidos los futuros descubrimientos- pueden caracterizarse completamente por sus propiedades topológicas. La identificación de materiales para una aplicación tecnológica específica (por ejemplo, Hall Anómalo Cuántico) es sencilla. Utilizando este enfoque se pueden identificar materiales topológicos magnéticos con temperaturas de transición magnética por encima de la temperatura ambiente o, si es necesario, diseñarlos para aplicaciones clásicas como dispositivos termoeléctricos, sensores Hall o catalizadores eficientes, pero también son útiles para aplicaciones cuánticas a bajas temperaturas, incluyendo la computación y la detección.

Andrei Bernevig comenta que "la realización del QAHE a temperatura ambiente sería revolucionaria, ya que superaría las limitaciones de muchas tecnologías basadas en datos, que se ven afectadas por las pérdidas de energía derivadas del calentamiento Joule", y su colega Stuart Parkin, del Instituto Max PIanck de Física de Microestructuras de Halle (Alemania), "puede imaginar cómo las novedosas propiedades de esta nueva clase de materiales magnéticos pueden allanar el camino a nuevas generaciones de dispositivos electrónicos y espintrónicos cuánticos de bajo consumo energético e incluso a novedosos dispositivos espintrónicos superconductores". Claudia Felser, de la MPI CPfS, está muy entusiasmada con sus posibles aplicaciones en química. Dice que "si podemos diseñar un catalizador magnético para la división del agua, podríamos cambiar las propiedades catalíticas con un campo externo, lo que nos permitiría activar y desactivar la catálisis". Para Haim Beidenkopf, el ordenador cuántico es quizá la dirección más apasionante de la ciencia actual: "El diseño de un material que exhiba un Hall anómalo cuántico a alta temperatura mediante el confinamiento cuántico de un semimetal magnético de Weyl, y su integración en dispositivos cuánticos es mi principal objetivo para el futuro". Está claro que el campo de los materiales topológicos magnéticos tiene y tendrá impacto tanto en el mundo científico como en el tecnológico.

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