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FÍSICA

Formas y transformaciones

Con base en ideas premiadas con el Nobel en 2016, un grupo brasileño propone distintas maneras de alterar las propiedades eléctricas y magnéticas de los materiales

José Carlos Egues/ IFSC-USP Vista de perfil: el relieve magnético formado por la concentración de espines alineados en diferentes sentidosJosé Carlos Egues/ IFSC-USP

Una nueva tecnología que promete un aumento en la capacidad de almacenamiento de los discos de memorias magnéticas de las computadoras se asemeja al viejo hábito de amarrar un piolín en un dedo para no olvidarse de algo importante. Sin embargo, en lugar de lazos visibles, la idea consiste en el uso de ciertas propiedades de las partículas atómicas para crear intrincados patrones geométricos en materiales que se utilizan para fabricar componentes de microelectrónica. A esos patrones se los denomina estados topológicos de la materia. Comenzaron a surgir en laboratorio y se han estudiado minuciosamente en los últimos años, merced al avance que generaron trabajos publicados en los años 1970 y 1980, que fueron premiados este año con el Nobel de Física.

La idea es algo abstracta. Los átomos y algunas de las partículas que los conforman, como en el caso de los electrones, poseen una propiedad a la que se denomina espín, que se comporta en forma similar a la aguja imantada de una brújula. Bajo el efecto de un campo magnético, los espines de esas partículas se alinean en un mismo sentido y generan un patrón geométrico sencillo. Desde hace algunos años, tanto físicos como ingenieros vienen desarrollando formas de alterar las direcciones de los espines para generar patrones geométricos más complejos a los cuales se conoce con el nombre de esquirmiones [skyrmions)], que se asemejan a un torbellino o remolino.

Los físicos están interesados en los esquirmiones porque el patrón que forman es tan difícil de deshacer como un nudo ciego en un cordel. Estudios teóricos y experimentales indican que pueden resistir las variaciones de temperatura y de campos electromagnéticos a los que están sometidos los componentes microelectrónicos. Los esquirmiones parecen mantenerse incluso cuando hay impurezas o defectos en los materiales donde ellos se forman. Esa robustez resulta atractiva porque podría proteger la información codificada en los espines ante un apagón involuntario, provocado por alteraciones en la temperatura o por interferencias magnéticas.

Al medir menos de 1 nanómetro (una millonésima de milímetro), los esquirmiones podrían insertarse, según algunos investigadores, entre configuraciones más simples de espines. De esta manera, las información codificada en los espines bajo la forma de números binarios ‒cero o uno‒ podría preservarse de las perturbaciones magnéticas. Los esquirmiones funcionarían entonces como una especie de coma en una frase, separando secuencias de espines que apuntan en sentidos opuestos.

Se cree que sería posible grabar esa información en películas elaboradas con un material magnético y que, excepto por sus dimensiones nanométricas, se asemejarían a las cintas de los casetes que se usaban antaño para grabar música. Los esquirmiones, alrededor de 100 veces menores que los dominios magnéticos, los bloques elementales de información de los discos rígidos actuales, permitirían almacenar 100 veces más información que una memoria magnética convencional. “Todavía faltan algunos años para que pueda desarrollarse una tecnología basada en esquirmiones”, afirma el físico teórico José Carlos Egues, del Instituto de Física de São Carlos (IFSC), de la Universidad de São Paulo (USP).

Por el momento, los investigadores de otros grupos sólo consiguieron crear esquirmiones en laboratorio empleando materiales poco convencionales, que presentan estructuras cristalinas de compleja fabricación y generan fenómenos físicos difíciles de describir matemáticamente. “Aún queda mucho que aprender sobre los esquirmiones”, reconoce el físico.

En un artículo aceptado recientemente para su publicación en la revista Physical Review Letters, Egues y sus colaboradores presentan cálculos que demuestran la posibilidad de crear esquirmiones de manera más sencilla, utilizando un campo eléctrico para manipular los espines de los electrones en un filme de arseniato de galio (GaAs), un material común muy utilizado por la industria optoelectrónica. Según Egues, los cálculos de su equipo asumen condiciones realistas, similares a las de experimentos efectuados años atrás en laboratorios de Estados Unidos. En los test publicados en 2009, los científicos estadounidenses lograron que los espines de los electrones del GaAs generen configuraciones en forma de hélice. “Una combinación correcta de esos patrones helicoidales, en posición ortogonal, nos proporcionará el modelo de esquirmiones que proponemos”, explica Egues, que en el mes de octubre presentó sus ideas ante físicos experimentales europeos que estaban interesados en testearlas.

José Carlos Egues/ IFSC-USP Vista superior del torbellino magnético formado por los espines de átomos y electrones: un modelo geométrico complejo, resistente a las alteraciones de temperatura y a oscilaciones electromagnéticasJosé Carlos Egues/ IFSC-USP

Aislantes topológicos
Con cálculos similares a los que se presentaron en la revista Physical Review Letters, Egues y el físico Sigurdur Erlingsson, de la Universidad de Reikiavik, en Islandia, habían propuesto en 2015 una manera sencilla de transformar radicalmente las propiedades electrónicas de una película de arseniato de indio (InAs), un material tan convencional como el GaAs. Bajo condiciones habituales, el InAs se comporta como un semiconductor y conduce electricidad tan sólo por encima de cierto voltaje. Egues y Erlingsson previeron, sin embargo, que la aplicación de campos eléctricos con ciertas características transformaría el filme de arseniato de indio en un material aislante de la electricidad en su región más interna y, en un conductor eficiente en su periferia. Este tipo de material se denomina aislante topológico.

Existe una razón práctica para intentar transformar filmes ultradelgados (a los cuales se los considera bidimensionales) de arseniato de indio en aislantes topológicos. Los materiales que se emplean actualmente, tales como telururo de mercurio (TeHg), resultan difíciles de manipular y pocos grupos en el mundo, como en el caso del de Gennady Gusev, del Instituto de Física (IF) de la USP, en São Paulo, lograron generar muestras para ver cómo se comportan.

Al menos en teoría, esas películas son materiales ideales para el desarrollo de nuevos dispositivos electrónicos menores y más eficientes. “Los electrones con espines opuestos fluyen en direcciones contrarias en un aislante topológico. De cualquier modo, no colisionan entre sí, lo cual reduce la resistencia eléctrica”, explica Luís Gregório Dias da Silva, docente del IF-USP, quien estudia el transporte de electrones en esos materiales y colaboró anteriormente con Egues.

Los aislantes topológicos y los esquirmiones son algunos de los fenómenos que se descubrieron durante la última década gracias a la aplicación de conceptos de la topología en la ciencia de materiales. La topología es un área de la matemática que estudia de qué manera algunos objetos geométricos pueden transformarse en otros, del mismo modo que si estuvieran hechos con una masa de modelar que no se rompe. Por ejemplo, los matemáticos pueden idear una rosquilla convirtiéndose en una taza. La mayoría de los físicos no se interesaba por la topología antes de la publicación de los trabajos teóricos pioneros de los físicos británicos David Thouless, Duncan Haldane y Michael Kosterlitz, ganadores del Nobel de Física de 2016. En los años 1970 y 1980, éstos sugirieron que las transformaciones en las propiedades eléctricas y magnéticas observadas en ciertos materiales podrían explicarse analizando la topología de los espacios geométricos abstractos que describen el comportamiento de los átomos y de los electrones en los materiales.

Proyecto
Aislantes topológicos y fermiones de Majorana (nº 2016/08468-0); Modalidad Apoyo a la Investigación – Regular; Investigador responsable José Carlos Egues de Menezes (IFSC-USP); Inversión R$ 84.229,50

Artículo científico
FU, J. et al. Persistent skyrmion lattice of non-interacting electrons with spin-orbit coupling. Physical Review Letters. En prensa.

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