La topología es una rama de las matemáticas que estudia las propiedades de los cuerpos geométricos que son invariantes aunque estos experimenten una transformación continua. Expliquémoslo. Las propiedades que interesan a la topología son del tipo de número de agujeros, proximidad, tipo de consistencia, conectividad, etc., del cuerpo. En este sentido, si, por ejemplo, deformamos un objeto de plastilina que tenga forma de taza, de manera que, sin romper el material, lo convirtamos en una rosquilla, la propiedad “tener un “agujero” se habrá conservado.
Pues bien, se llama materiales topológicos aquellos que requieren de la topología para su caracterización. Tienen la virtud de que sus propiedades (topológicas) están definidas o protegidas, es decir, son invariantes cuando son sometidos a una transformación topológica. Tienen propiedades electrónicas únicas en función de su topología, propiedades que surgen de la disposición de los electrones y de su comportamiento en el material. Asimismo, muestran propiedades cuánticas muy singulares.
Los materiales topológicos más interesantes y estudiados son los aislantes topológicos, pero no quedan muy a la zaga los superconductores topológicos y los semimetales topológicos.
Aislantes topológicos
Estos materiales se caracterizan por ser aislantes en el cuerpo principal del material, pero presentan estados conductores en sus superficies o bordes. Tales estados están protegidos por la topología del material, lo que los hace especialmente robustos contra impurezas o imperfecciones.
Es la simetría de inversión del tiempo la que protege al material contra todas las perturbaciones invariantes de inversión de tiempo, como la dispersión por impurezas no magnéticas, los defectos cristalinos o la distorsión de la superficie misma. Los electrones en estos estados pueden moverse sin dispersarse, lo que hace que los aislantes topológicos sean muy deseables en diversas aplicaciones, como la computación cuántica y la electrónica. Además, muestran variados y sorprendentes efectos cuánticos.
Superconductores topológicos
Son una clase inusual de superconductores que a menudo están hechos de un metal superconductor acoplado con un semiconductor y que pueden manifestar comportamientos que han sido predichos para partículas teóricas como los fermiones de Majorana.
Estos superconductores podrían encontrar aplicación como cúbits (bits cuánticos) en el corazón de las supercomputadoras cuánticas, máquinas que podrían realizar un número espectacular de cálculos por segundo. Los cúbits, típicamente frágiles, podrían ganar en robustez si se basaran en fermiones de Majorana, al estar topológicamente protegidos contra las perturbaciones.
Semimetales topológicos
Los semimetales topológicos se encuentran entre los metales y los aislantes en términos de propiedades tales como su capacidad para conducir electricidad o calor. Estos materiales pueden poseer características extraordinarias, como corrientes eléctricas prácticamente sin disipación y la capacidad de convertir más luz en electricidad que cualquier otro material, lo que sugiere una amplia gama de aplicaciones potenciales, como la electrónica de potencia ultrabaja y la generación de electricidad a partir del calor residual.
Mientras que los semimetales convencionales pueden convertirse fácilmente en metales o aislantes con un cambio en la temperatura o un ligero ajuste de su composición química, los semimetales topológicos conservan su naturaleza semimetálica a pesar de los cambios en la temperatura o la composición.
Al igual que el grafeno, las corrientes eléctricas pueden fluir en semimetales topológicos con una disipación de energía prácticamente nula, lo que potencialmente los hace útiles para la electrónica de potencia ultrabaja. Otra ventaja es que, a diferencia del grafeno, es posible teóricamente variar sus espesores para ajustar sus propiedades.
Los semimetales topológicos también pueden mostrar propiedades inesperadas; por ejemplo, el arseniuro de tantalio puede generar intrínsecamente más de 10 veces más corriente eléctrica a partir de la luz que cualquier otro material. Este efecto ocurre con la luz infrarroja media, lo que sugiere que el arseniuro de tantalio podría encontrar uso en imágenes químicas y térmicas.
