Aisladores topológicos

A aislante topológico Es un notable tipo de material que actúa como aislante eléctrico en su interior mientras conduce perfectamente la electricidad por su superficie o bordes. Esta doble personalidad no es causada por impurezas o recubrimientos; está obligado por una profunda propiedad matemática de los electrones del material llamada topología. Los aislantes topológicos son uno de los descubrimientos más importantes de la física de la materia condensada de este siglo.

La topología se encuentra con los electrones

La topología es la rama de las matemáticas que se ocupa de las propiedades que no cambian bajo una deformación suave: una taza de café y un donut son "iguales" porque cada uno tiene un agujero. En un sólido, las energías permitidas de los electrones forman bandas, y resulta que estas bandas se pueden torcer de una manera topológicamente no trivial que no se puede deshacer fácilmente. Cuando un material topológicamente torcido se encuentra con el vacío ordinario o con un aislante normal, la falta de coincidencia debe resolverse en el límite, y la única manera de hacerlo es que aparezcan estados conductores allí. El interior aislante y la superficie conductora son dos caras de la misma moneda topológica.

Carreteras protegidas para electrones

Lo que hace especiales a los estados superficiales es que son protegido. En un conductor ordinario, los defectos y las impurezas dispersan los electrones y crean resistencia. En la superficie de un aislante topológico, los estados conductores están bloqueados de modo que la dirección del movimiento de un electrón está ligada a su girar. Esto hace que sea muy difícil para los electrones invertir la dirección sin invertir su giro, por lo que fluyen alrededor de los obstáculos casi sin dispersarse. La versión bidimensional de este comportamiento se llama Efecto Hall del espín cuántico, predicho y observado a mediados de la década de 2000.

Por qué son importantes

Los aisladores topológicos conectan las matemáticas abstractas con materiales reales y utilizables, y pertenecen a una familia más amplia de "fases topológicas" que incluye las Efecto Hall cuántico fraccional. Su conducción superficial robusta y de baja disipación los hace prometedores para la electrónica y la espintrónica energéticamente eficientes, y se están siguiendo las mismas ideas topológicas como ruta hacia una computadoras cuánticas.

Un error común

El "aislante" en el nombre se refiere únicamente al interior a granel. Un aislante topológico nunca es un aislante perfecto en general, porque su superficie siempre conduce; esa conducción superficial es el punto completo y no se puede eliminar sin destruir el carácter topológico del material.