Los materiales llamados aislantes topológicos son aquéllos que no dejan pasar la corriente eléctrica a través de su volumen, pero sí sobre su superficie. A diferencia de los conductores habituales, como los metales, la corriente no sufre ninguna pérdida de energía al circular de forma superficial.

Esta propiedad abre grandes posibilidades de aplicación en electrónica y tecnologías de la información, pues facilitará la fabricación de dispositivos más eficientes, más rápidos y de bajo consumo energético.

En este contexto, uno de los retos ha sido crear aislantes topológicos magnéticos, pero hasta ahora el magnetismo se introducía exclusivamente por la llamada vía extrínseca, que consiste en añadir átomos magnéticos.

Sin embargo, investigadores de la Universidad del País Vasco (UPV/EHU), el Centro de Física de Materiales (CFM, centro mixto del CSIC y la UPV/EHU) y el Donostia International Physics Center (DIPC) han descubierto que se puede desarrollar un aislante topológico magnético intrínseco, es decir, que tiene propiedades magnéticas por su propia naturaleza. 

El equipo ha logrado predecir teóricamente el primer aislante topológico magnético. Está compuesto compuesto de manganeso (Mn), bismuto (Bi) y telurio (Te) y su fórmula es MnBi2Te4. Los detalles se publican en la revista Nature.

El investigador Ikerbasque del DIPC y líder del estudio, Mikhail Otrokov afirma: “El trabajo previo desde diferentes enfoques nos llevó a la conclusión de que la ruta intrínseca era la única viable hoy en día. Entonces, dirigimos nuestros esfuerzos a encontrar un aislante topológico magnético intrínseco basándonos en experiencias previas, gracias a las cuales supimos qué estructura cristalina y composición atómica debía tener tal material“.

Coordinación internacional desde Donostia

Donostia no solo es el lugar donde se ha realizado la predicción teórica de este primer aislante topológico magnético, sino que ha sido el campo base desde el que se ha coordinado la confirmación experimental de la misma, un trabajo que ha involucrado a investigadores expertos en distintas áreas, de centros de investigación de referencia de Rusia, Azerbaiyán, Alemania, Austria, Japón, Italia y los EE UU.

Para la confirmación experimental, la primera tarea fue la síntesis de los cristales del compuesto por parte de los expertos en síntesis química. Una vez sintetizadas, las muestras fueron sometidas a multitud de experimentos de caracterización estructural, magnética, electrónica, de transporte, de composición atómica, etc. hasta observar y verificar las características predichas.

A día de hoy el MnBi2Te4 y otros materiales basados en él, se estudian en decenas de centros de investigación, siendo los de EE UU y China los que muestran una actividad más intensa. "El MnBi2Te4 además de ser un aislante topológico con propiedades magnéticas intrínsecas, ha resultado ser un material antiferromagnético, tal y como habíamos calculado", apunta la coautora María Blanco Rey de la UPV/EHU.

Ventajas del antiferromagnetismo

El antiferromagnetismo consiste en un orden magnético a escala atómica tal que el material carece de magnetización neta. Por ello estos materiales son mucho más robustos frente a perturbaciones por imanes.

El nuevo compuesto tiene un gran potencial tanto a nivel fundamental como tecnológico. Es extraordinariamente rico en propiedades exóticas, como, por ejemplo, varios efectos de Hall; incluido el efecto Hall cuántico; algunos de los cuales se utilizan en la calibración de constantes físicas por su excepcional precisión.

El MnBi2Te4 también se puede usar para la creación de los llamados fermiones de Majorana. Un tipo de partícula que se ha llegado a considerar la piedra angular de la computación cuántica.

Asimismo, es el primer material intrínseco para el que se predice una respuesta electromagnética muy similar a la de un axión, una hipotética partícula postulada en el marco de la cromodinámica cuántica, que es buena candidata para resolver el problema de la materia oscura. Actualmente se están diseñado muchos experimentos dirigidos precisamente a la detección de señales de un comportamiento de tipo axión en la familia de este compuesto.

En cuanto a aplicaciones prácticas, se han patentado ya varios dispositivos basados en los aislantes topológicos magnéticos. Por ejemplo, el MnBi2Te4 podría ser utilizado en las interconexiones quirales de los circuitos integrados, que prometen un rendimiento superior a las conexiones de cobre ordinarias que se emplean en los circuitos disponibles comercialmente. Otras aplicaciones incluyen moduladores ópticos, sensores de campo magnético y elementos de memoria.

Los investigadores afincados en Donostia, junto a su red de colaboradores internacionales, esperan poder observar en el MnBi2Te4 algunas de esas exóticas propiedades y descubrir nuevos aislantes topológicos magnéticos intrínsecos con características incluso superiores.

investigadores

El equipo formado por los investigadores del DIPC, Mikhail Otrokov (investigador Ikerbasque del CFM), Evgueni Chulkov (UPV/EHU, Premio Euskadi de Investigación 2019), María Blanco Rey (UPV/EHU) y Pedro M. Etxenike (UPV/EHU, Presidente del DIPC), ha logrado predecir teóricamente el primer aislante topológico magnético. / DIPC-UPV/EHU- CFM

Referencia bibliográfica:

"Prediction and observation of an antiferromagnetic topological insulator", M. M. Otrokov, I. I. Klimovskikh, H. Bentmann, D. Estyunin, A. Zeugner, Z. S. Aliev, S. Gaß, A. U. B. Wolter, A. V. Koroleva, A. M. Shikin, M. BlancoRey, M. Hoffmann, I. P. Rusinov, A. Yu. Vyazovskaya, S. V. Eremeev, Yu. M. Koroteev, V. M. Kuznetsov, F. Freyse, J. Sánchez-Barriga, I. R. Amiraslanov, M. B. Babanly, N. T. Mamedov, N. A. Abdullayev, V. N. Zverev, A. Alfonsov, V. Kataev, B. Büchner, E. F. Schwier, S. Kumar, A. Kimura, L. Petaccia, G. Di Santo, R. C. Vidal, S. Schatz, K. Kißner, M. Ünzelmann, C. H. Min, Simon Moser, T. R. F. Peixoto, F. Reinert, A. Ernst, P. M. Echenique, A. Isaeva and E. V. Chulkov. Nature (2019). DOI: 10.1038/s41586-019-1840-9