Se descubre un estado cuántico éxótico a temperatura ambiente

Por primera vez, un equipo de físicos ha observado nuevos efectos cuánticos en un aislante topológico a temperatura ambiente, allanando el camino a una electrónica más eficiente en consumo de energía.

Este avance, publicado como artículo de portada de la edición de octubre de Nature Materials, se produjo cuando los científicos de Princeton exploraron un material topológico basado en el elemento bismuto.

Los científicos han utilizado aislantes topológicos para demostrar los efectos cuánticos durante más de una década, pero este experimento es la primera vez que se observan estos efectos a temperatura ambiente. Por lo general, inducir y observar estados cuánticos en aisladores topológicos requiere temperaturas alrededor del cero absoluto, lo que equivale a -273 grados Celsius.

Este hallazgo abre una nueva gama de posibilidades para el desarrollo de tecnologías cuánticas eficientes, como la electrónica basada en espín, que potencialmente puede reemplazar muchos sistemas electrónicos actuales para una mayor eficiencia energética.

En los últimos años, el estudio de los estados topológicos de la materia ha atraído una atención considerable 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 las propiedades geométricas que se pueden deformar pero no cambiar intrínsecamente.

"Las 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 ingeniería cuántica y las nanotecnologías de próxima generación", dijo en un comunicado M. Zahid Hasan, el profesor Eugene Higgins de Física en la Universidad de Princeton, quien dirigió la investigación.

"Este trabajo fue posible gracias a múltiples avances experimentales innovadores en nuestro laboratorio en Princeton", agregó Hasan.

El principal componente del dispositivo utilizado para investigar los misterios de la topología cuántica se denomina aislante topológico. Este es un dispositivo único que actúa como aislante en su interior, lo que significa que los electrones en su interior no tienen libertad de movimiento y por lo tanto no conducen la electricidad.

Sin embargo, los electrones en los bordes del dispositivo pueden moverse libremente, lo que significa que son conductores. Además, debido a las propiedades especiales de la topología, los electrones que fluyen a lo largo de los bordes no se ven obstaculizados por ningún defecto o deformación. Este dispositivo tiene el potencial no solo de mejorar la tecnología sino también de generar una mayor comprensión de la materia misma al probar las propiedades electrónicas cuánticas.

Sin embargo, hasta ahora ha habido un obstáculo importante en la búsqueda de utilizar los materiales y dispositivos para aplicaciones en dispositivos funcionales. "Hay mucho interés en los materiales topológicos y la gente a menudo habla de su gran potencial para aplicaciones prácticas", dijo Hasan, "pero hasta que algún efecto topológico cuántico macroscópico pueda manifestarse a temperatura ambiente, es probable que estas aplicaciones no se realicen".

Esto se debe a que las temperaturas ambientales o altas crean lo que los físicos llaman "ruido térmico", que se define como un aumento de temperatura tal que los átomos comienzan a vibrar violentamente. Esta acción puede alterar los delicados sistemas cuánticos, colapsando así el estado cuántico. En aisladores topológicos, en particular, estas temperaturas más altas crean una situación en la que los electrones en la superficie del aislador invaden el interior, o "a granel", del aislador, y hacen que los electrones allí también comiencen a conducir, lo que diluye o rompe el efecto cuántico especial.

La forma de evitar esto es someter tales experimentos a temperaturas excepcionalmente frías, típicamente en o cerca del cero absoluto. A estas temperaturas increíblemente bajas, las partículas atómicas y subatómicas dejan de vibrar y, en consecuencia, son más fáciles de manipular. Sin embargo, crear y mantener un entorno ultrafrío no es práctico para muchas aplicaciones; es costoso, voluminoso y consume una cantidad considerable de energía.

Pero Hasan y su equipo han desarrollado una forma innovadora de evitar este problema. Basándose en su experiencia con materiales topológicos y trabajando con muchos colaboradores, fabricaron un nuevo tipo de aislante topológico hecho de bromuro de bismuto (fórmula química alfa-Bi4Br4), que es un compuesto cristalino inorgánico que a veces se usa para el tratamiento del agua y análisis químicos.

"Es fantástico que los hayamos encontrado sin una presión gigante o un campo magnético ultraalto, lo que hace que los materiales sean más accesibles para desarrollar tecnología cuántica de próxima generación", dijo Nana Shumiya, quien obtuvo su doctorado en Princeton, es investigador asociado postdoctoral en ingeniería eléctrica e informática, y es uno de los tres coautores del artículo.

Añadió: "Creo que nuestro descubrimiento hará avanzar significativamente la frontera cuántica".