Descubierto el primer aislante topológico magnético intrínseco

Un equipo internacional de científicos liderado por investigadores del CFM, DIPC y la UPV/EHU, ha logrado predecir y observar el primer aislante topológico con propiedades magnéticas propias.

Los resultados de este estudio, que han sido publicados esta semana en la prestigiosa revista Nature, tienen una gran potencial tanto a nivel fundamental, como para futuras aplicaciones tecnológicas.

Representación artística de la superficie escalonada del MnBi2Te4, y sobre ella, la estructura electrónica característica de los aislantes topológicos magnéticos (el llamado Cono de Dirac). Las flechas rojas y azules se refieren a los momentos magnéticos locales de los átomos de Mn, que presentan orientaciones alternas de una terraza a otra, es decir, presentan orden antiferromagnético. Mientras que las líneas amarillas y rosas, y sus respectivas flechas, muestran las direcciones de propagación de las corrientes eléctricas en los bordes, que son opuestas entre bordes vecinos (conocido como efecto Hall cuántico medio entero).

Los materiales llamados aislantes topológicos son aquéllos que no dejan pasar la corriente eléctrica en su volumen, pero sí sobre su superficie. A diferencia de los conductores habituales, es decir, metales, la corriente al circular en la superficie de un aislante topológico no sufre ninguna pérdida de energía. Esta propiedad abre grandes posibilidades de aplicación en electrónica, pues facilitaría la fabricación de dispositivos más eficientes; más rápidos y de bajo consumo energético; un objetivo tan deseable como necesario en el actual escenario de rápido avance de la demanda energética mundial por las consecuencias que ello genera en nuestro medioambiente. Por ese motivo, el descubrimiento de los aislantes topológicos hace aproximadamente una década, causó un ‘boom’ mundial de investigación en los campos de la nanotecnología y la física de la materia condensada.

Por las aplicaciones tecnológicas que podría tener, por ejemplo en las tecnologías de la información, uno de los retos durante estos años de intensa investigación ha sido la creación de un aislante topológico magnético. Hasta hace poco, el magnetismo se introducía en los aislantes topológicos no-magnéticos exclusivamente por la llamada vía extrínseca, que consiste en añadir átomos magnéticos. Sin embargo, gracias al esfuerzo de un grupo de investigadores del Centro de Física de Materiales (CFM, centro mixto CSIC-UPV/EHU), Donostia International Physics Center (DIPC) y la Universidad del País Vasco (UPV/EHU), ahora ya es posible crecer un aislante topológico magnético intrínseco, es decir, que tiene propiedades magnéticas por su propia naturaleza. 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, cuya fórmula química es MnBi2Te4. La clave del éxito de esta predicción ha sido la gran experiencia que este grupo de investigadores posee en los campos de los aislantes topológicos, el magnetismo y la ciencia de materiales en general. El investigador Ikerbasque y líder del estudio, Mikhail Otrokov afirma que “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“.

E. Chulkov, M. Otrokov, M. Blanco Rey y PM. Etxenike, parte del equipo científico responsable del trabajo

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. Los resultados de este estudio se publican esta semana en la prestigiosa revista ‘Nature’. Otrokov ha explicado que 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.

Los resultados del estudio, que ya habían sido previamente divulgados a través de un servidor de acceso abierto y de charlas impartidas por los autores en congresos internacionales, han sido bien recibidos por la comunidad científica internacional. 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”, nos dice Blanco. 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.

Este compuesto de Manganeso (Mn), Bismuto (Bi) y Telurio (Te) tiene un gran potencial tanto a nivel fundamental como a nivel 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, el MnBi2Te4 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. Por ello, 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 actualmente 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 las exóticas propiedades mencionadas antes y descubrir nuevos aislantes topológicos magnéticos intrínsecos con características incluso superiores que las del MnBi2Te4.

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. Blanco-Rey, 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