XIX edición. Materiales topológicos: aislantes que conducen y otras rarezas Studies at the Faculty of Science

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XIX edición. Materiales topológicos: aislantes que conducen y otras rarezas

Coloquios de Física (Ciencia de Hoy)

 

Reyes Calvo Urbina, profesor del Instituto CIC nanoGUNE, Universidad de San Sebastián.

La aplicación de la mecáncia cuántica a la materia condensada a mediados del siglo XX dotó a los físicos de herramientas para comprender y predecir las propiedades electrónicas de los materiales. Esto derivó rápidamente en importantes desarrollos tecnológicos, como la invención del transistor y permitió clasificar los materiales en función de sus propiedades eléctricas, en metales, semiconductores y aislantes. A pesar de su éxito, esta clasificación recoge tan sólo algunas propiedades de los electrones en los materiales

Durante los últimos 50 años se ha desarrollado una nueva clasificación de los materiales en base a propiedades de las funciones matemáticas que definen el comportamiento de los electrones en un material. Clasificamos así los materiales en triviales (la mayoría de los materiales que conocemos) y no triviales. Estos últimos, también llamados materiales topológicos, presentan propiedades sorprendentes. Por ejemplo, los aislantes se definen típicamente como materiales que no conducen la electricidad. Pero este resulta ser sólo el caso de los aislantes triviales. Los aislantes no triviales, o topológicos, descubiertos recientemente, podrían ser conductores perfectos: conducen sólo en el borde del material y sin pérdidas de energía.

Otras fases topológicas de la materia han sido predichas y encontradas experimentalmente en las últimas décadas. En algunas de estas fases, los electrones se comportan como partículas exóticas, que, por ejemplo, pueden ser su propia antipartícula y que podrían utilizarse en un ordenador cuántico.

En esta charla comenzaré por introducir conceptos básicos sobre la aplicación de la mecánica cuántica y la topológica a la clasificación de los materiales y expondré la relevancia de los materiales llamados topológicos para su aplicación en electrónica y en computación cuántica. Me centraré después en el caso de los aislantes topológicos, sus propiedades y las técnicas experimentales utilizadas para su estudio.