Partículas topológicas en materia condensada
Los aislantes topológicos son una clase de materiales extraordinaria. Presentan un aspecto fascinante: en masa, se comportan como aislantes, pero conducen la electricidad por su superficie. Además, en las proximidades de un superconductor, estos materiales presentan excitaciones que satisfacen las estadísticas no conmutativas, los llamados fermiones de Majorana, que podrían aprovecharse en la computación cuántica. Los investigadores participantes en el proyecto TOPOSPIN (Scanning tunneling spectroscopy of topological interfaces for future spintronics) estudiaron una gama de aislantes topológicos. Su objetivo final era identificar sistemas de materia condensada en los que se pudieran detectar fermiones de Majorana en sus envolventes exteriores mediante un microscopio de efecto túnel (STM). Los fermiones de Majorana se comportan al mismo tiempo como la materia y como la antimateria. Estas propiedades contradictorias hacen neutras estas exóticas partículas y reducen al mínimo su interacción con el entorno. Esa «indiferencia» incitó el interés de los investigadores de TOPOSPIN en buscar maneras de conseguir fermiones de Majorana en el borde de un hilo de un átomo de espesor, justo donde se había predicho teóricamente que deben suceder. Se estudiaron las condiciones bajo las que una cadena de átomos magnéticos situada en la superficie de un superconductor puede albergar fermiones de Majorana. Uno de los resultados más sorprendentes de esos estudios teóricos ha sido que incluso una cadena corta formada por unas pocas decenas de átomos en un rango de energía concreto puede comportarse como un fermión de Majorana. Todavía más importante es el hecho de que los investigadores lograsen construir un sistema físico de átomos de hierro depositados sobre la superficie de un cristal ultrapuro de plomo. Después de enfriar el sistema a -272 grados centígrados, se constató que la superconductividad del hilo de espesor atómico cumple las condiciones necesarias para mantener un fermión de Majorana en el extremo del mismo. Con el STM fue posible estudiar los estados topológicos de la materia en los bordes de bicapas de bismuto. Los investigadores de TOPOSPIN demostraron la estructura unidimensional de los electrones que se propagan a lo largo del perímetro del sistema. Cabe esperar que esos sistemas topológicos de baja dimensión desempeñen un papel clave en la consecución de fermiones de Majorana. Los hallazgos de TOPOSPIN abren nuevas vías para la investigación del comportamiento de los aislantes topológicos. La labor realizada tiene implicaciones para la física de la materia condensada y, además, ha contribuido al establecimiento de una colaboración fructífera entre institutos de investigación prestigiosos de Europa y Estados Unidos que se espera tenga continuidad en lo sucesivo.
Palabras clave
Materia condensada, aislantes topológicos, computación cuántica, fermiones de Majorana, microscopio de efecto túnel, STM
