Un equipo de investigadores de la Universidad de Columbia Británica, la Universidad de Washington y la Universidad Johns Hopkins ha realizado un descubrimiento significativo en el campo de la física cuántica. En un artículo publicado en la prestigiosa revista Nature, han identificado una nueva clase de estados cuánticos en una estructura de grafeno diseñada específicamente para este propósito.
El estudio se centra en los cristales electrónicos topológicos en grafeno apilado de manera torcida, un sistema creado al introducir un giro preciso entre materiales bidimensionales. Tal como explica el profesor Joshua Folk, del Departamento de Física y Astronomía de UBC y del Instituto Blusson de Materia Cuántica, «la base de este trabajo son dos láminas de grafeno, compuestas por átomos de carbono dispuestos en una estructura de panal. La forma en que los electrones se mueven entre estos átomos determina las propiedades eléctricas del grafeno, que se asemeja superficialmente a conductores más comunes como el cobre».
El proceso experimental consiste en apilar estas láminas con un leve giro entre ellas, lo que genera un efecto de interferencia geométrica conocido como patrón de moiré. Este patrón provoca que algunas regiones del apilamiento tengan átomos de carbono perfectamente alineados, mientras que en otras están desfasados. Como resultado, los electrones que se desplazan a través de este patrón experimentan cambios drásticos en sus propiedades electrónicas, llegando incluso a ralentizarse y a mostrar un movimiento en espiral similar al vórtice de un desagüe.
Un hallazgo innovador en la investigación de electrones
El descubrimiento fundamental del estudio fue realizado por Ruiheng Su, un estudiante de grado de UBC, quien mientras trabajaba en un experimento en el laboratorio del profesor Folk, encontró una configuración única en el dispositivo. En esta disposición, los electrones en el grafeno se congelaron en un arreglo perfectamente ordenado, moviéndose de manera sincronizada como bailarines de ballet realizando piruetas estacionarias. Este fenómeno da lugar a una corriente eléctrica que fluye sin esfuerzo por los bordes de la muestra, mientras que el interior se comporta como un aislante debido a que los electrones están inmovilizados.
Lo notable es que la cantidad de corriente que fluye en el borde está determinada con precisión por la relación de dos constantes fundamentales de la naturaleza: la constante de Planck y la carga del electrón. Esta exactitud se ve garantizada por una propiedad del cristal electrónico conocida como topología, que describe las características de los objetos que permanecen inalteradas ante deformaciones moderadas. Como ilustra el profesor Yankowitz, «así como un donut no puede transformarse suavemente en un pretzel sin antes ser cortado, el canal de electrones que circula alrededor del cristal electrónico 2D permanece inalterado por el desorden en su entorno».
El cristal electrónico topológico no solo es fascinante desde un punto de vista teórico, sino que también abre nuevas posibilidades para los avances en la información cuántica. Esto incluye futuras investigaciones para acoplar el cristal electrónico topológico con superconductores, lo que podría sentar las bases para qubits en computadoras cuánticas topológicas. Este campo emergente promete revolucionar la tecnología, ofreciendo herramientas que podrían transformar industrias enteras.
En resumen, el hallazgo de estos cristales electrónicos topológicos en grafeno no solo amplía nuestro entendimiento de la física cuántica, sino que también ofrece un camino hacia innovaciones tecnológicas que podrían cambiar nuestra manera de interactuar con la información y la computación en el futuro.
