Charles Kane y Eugene Mele
Charles Kane y Eugene Mele - Fundación BBVA
Ciencias Básicas

Los materiales que son aislantes y conductores a la vez, premio Fundación BBVA Fronteras del Conocimiento

Los físicos estadounidenses Charles Kane y Eugene Mele descubrieron los aislantes topológicos, «una nueva clase de materiales con propiedades extraordinarias»

MadridActualizado:

Estaban ahí, en la naturaleza, pero hasta que Chales Kane y Eugene Mele los descubrieron a nadie se le había ocurrido ponerse a buscarlos. Estos dos físicos estadounidenses son los «padres» de los aislantes topológicos, una nueva clase de materiales con propiedades electrónicas extraordinarias. Tanto, que se comportan como conductores en su superficie, pero como aislantes en su interior. El hallazgo ha sido reconocido este martes con el Premio Fronteras del Conocimiento de la Fundación BBVA en la categoría de Ciencias Básicas en su undécima edición. El estudio de las propiedades y potenciales aplicaciones de estos materiales podría conducir a mejores dispositivos electrónicos, futuros ordenadores cuánticos y otros avances que, según los galardonados, aún no somos capaces de imaginar.

Charles Kane (Urbana, Illinois, EEUU, 1963) y Eugene Mele (Filadelfia, Pensilvania, EEUU, 1950) trabajan en la Universidad de Pensilvania y colaboran habitualmente. El germen de su hallazgo de los aislantes topológicos fue el descubrimiento, en 2004, de las propiedades del grafeno como lámina de solo un átomo de espesor. Mele y Kane se dieron cuenta de que, curiosamente, el grafeno no era ni aislante ni conductor eléctrico, sino que «estaba en un punto crítico entre los dos estados», ha explicado Mele por teléfono al conocer el fallo. «Empezamos a analizar este fenómeno y esto nos llevó al concepto de esta nueva fase aislante de la materia».

Hasta entonces, la física admitía solo dos tipos de materiales: conductores o aislantes. «Los materiales metálicos conducen la electricidad y los aislantes no», explica el acta. Pero estos investigadores predijeron en 2005 que esta clasificación era demasiado simple y lo demostraron experimentalmente poco después.

Los físicos galardonados propusieron en 2006 cómo construir un material real que fuera aislante topológico, y solo un año después un laboratorio logró una combinación de mercurio y telurio que cumplía las propiedades predichas. Pero era, como el grafeno, un material bidimensional –solo un átomo de grosor– muy difícil de sintetizar. La verdadera explosión del área llegó en la década siguiente, con el descubrimiento de que existen en la naturaleza aislantes topológicos tridimensionales, como el telururo de cadmio, un compuesto cristalino que se utiliza en la fabricación de células solares.

«Nos dimos cuenta de que este fenómeno no es algo raro o excepcional en la naturaleza, sino que hasta entonces nadie se había hecho esta pregunta ni lo había buscado», dice Mele.

Aplicaciones no soñadas

Una cualidad que resulta crucial en estos materiales es que tienen una superficie muy robusta, lo que significa que no se ven afectados por la presencia de impurezas. Por ese motivo, «puedes hacer con ellos cosas que no puedes hacer con otros materiales conductores. Es una nueva fase de la materia, un aislante que tiene capacidad garantizada de conducción en su superficie, y además es topológica, es decir, se puede deformar sin perder esa propiedad de conductividad», explica Kane.

Esta propiedad abre la puerta a mejoras en los dispositivos electrónicos actuales, que por ejemplo podrían ser miniaturizados aún más. «Una clase de aplicaciones potenciales involucra la electrónica de baja potencia, en la cual la administración del flujo de carga eléctrica y calor es crucial. Los aislantes topológicos proporcionana un mecanismo para organizar las corrientes eléctricas de una manera que es menos susceptible a las impurezas y al desorden», explica Charles Kane a ABC en un correo electrónico. Sin embargo, las aplicaciones más prometedoras son las que aún no existen: los ordenadores cuánticos, que multiplicarían la capacidad de computación de forma exponencial, aunque el investigador dice que todavía es pronto para afirmar con seguridad que los materiales topológicos se utilizarán en ese tipo de computadoras.

«Una computadora cuántica podría ser útil para el desarrollo o cifrado de medicamentos. Permite que muchas operaciones se realicen en paralelo, por lo que los algoritmos pueden buscar o factorizar grandes números que operen mucho más rápido», explica el físico. ¿Su dificultad? «Que la información cuántica es muy frágil. Se destruye si la mides. Por lo tanto, la dificultad es cómo evitar que una computadora cuántica se mida accidentalmente. Eso se conoce como el problema de la decoherencia», explica el científico, quien reconoce sentirse «tremendamente honrado» por el premio.

Mele, en todo caso, está convencido de que «los avances más importantes llegarán de cosas que ni nos hemos planteado. Hemos aportado una paleta de nuevos materiales, y cuando le das esto a personas inteligentes, hacen cosas inteligentes con ellas. Si pudiera viajar en una máquina del tiempo a dentro de 50 años, me encantaría saber qué tipo de dispositivos se han desarrollado gracias a esta investigación básica sobre la materia».