Un chip de ordenador sin pérdidas de energía en 1.58 dimensiones

¿Qué pasaría si pudiéramos encontrar una forma de hacer que las corrientes eléctricas fluyan sin pérdida de energía? Un enfoque prometedor para esto implica el uso de materiales conocidos como aislantes topológicos. Se sabe que existen en una (alambre), dos (hoja) y tres (cubo) dimensiones; todos con diferentes aplicaciones posibles en dispositivos electrónicos. Los físicos teóricos de la Universidad de Utrecht, junto con los experimentalistas de la Universidad de Jiao Tong de Shanghai, han descubierto que los aislantes topológicos también pueden existir en 1,58 dimensiones y que estos podrían utilizarse para el procesamiento de información energéticamente eficiente. Su estudio se publicó hoy en la revista Nature Physics.

Los bits clásicos, las unidades de operación de las computadoras, se basan en corrientes eléctricas: los electrones que corren significan 1, los electrones que no corren significan 0. Con una combinación de 0 y 1, se pueden construir todos los dispositivos que se utilizan en la vida diaria, desde los teléfonos celulares hasta las computadoras. Sin embargo, mientras corren, estos electrones encuentran defectos e impurezas en el material y pierden energía. Esto es lo que sucede cuando su dispositivo se calienta: la energía se convierte en calor y, por lo tanto, la batería se agota más rápido.

Un nuevo estado de la materia

Los aislantes topológicos son materiales especiales que permiten el flujo de corriente sin pérdida de energía. Solo se descubrieron en 1980, y su descubrimiento fue galardonado con un Premio Nobel. Reveló un nuevo estado de la materia: en el interior, los aislantes topológicos son aislantes, mientras que en sus límites hay corrientes fluyendo. Esto los hace muy adecuados para su aplicación en tecnologías cuánticas y podría reducir enormemente el consumo energético mundial. Solo había un problema: estas propiedades solo se descubrieron en presencia de campos magnéticos muy fuertes y temperaturas muy bajas, alrededor de menos 270 grados Celsius, lo que los hacía inadecuados para el uso cotidiano.

En las últimas décadas, se han logrado avances significativos para superar estas limitaciones. En 2017, los investigadores descubrieron que una capa bidimensional de bismuto de un solo átomo de espesor mostraba todas las propiedades correctas a temperatura ambiente, sin la presencia de un campo magnético. Este avance acercó al uso de aislantes topológicos en dispositivos electrónicos a la realidad.

Brócoli romanesco

El campo de investigación recibió un impulso adicional en 2022 con una subvención Gravitation de más de 20 millones de euros para el consorcio QuMAT. En este consorcio, los físicos teóricos de la Universidad de Utrecht, junto con los experimentalistas de la Universidad de Jiao Tong de Shanghai, han demostrado ahora que muchos estados sin pérdida de energía pueden existir en algún lugar entre una y dos dimensiones. A 1,58 dimensiones, por ejemplo. Puede ser difícil imaginar 1,58 dimensiones, pero la idea es más familiar de lo que crees. Tales dimensiones se pueden encontrar en estructuras fractales, como tus pulmones, la red de neuronas en tu cerebro o el brócoli romanesco. Son estructuras que escalan de una manera diferente a los objetos normales, llamadas “estructuras autosimilares”: si haces zoom, verás la misma estructura una y otra vez.

Lo mejor de dos mundos

Al hacer crecer un elemento químico (bismuto) sobre un semiconductor (antimoniuro de indio), los científicos de China obtuvieron estructuras fractales que se formaron espontáneamente, al variar las condiciones de crecimiento. Los científicos de Utrecht demostraron entonces teóricamente que, a partir de estas estructuras, emergían modos de esquina cero dimensionales y estados de borde unidimensionales sin pérdidas. “Al mirar entre dimensiones, encontramos lo mejor de dos mundos”, dice Cristiane Morais Smith, quien ha estado liderando la investigación teórica en la Universidad de Utrecht. “Las fractales se comportan como aislantes topológicos bidimensionales a energías finitas y al mismo tiempo exhiben, a energía cero, un estado en sus esquinas que podría utilizarse como un cúbit, los bloques de construcción de las computadoras cuánticas. Por lo tanto, el descubrimiento abre nuevas vías para los cúbitos que tanto se desean”.

Intuición

Curiosamente, el descubrimiento fue el resultado de una corazonada. “Cuando visité la Universidad de Jiao Tong de Shanghai y vi las estructuras producidas por el grupo, me emocioné mucho”, dice Morais Smith. “Mi intuición me decía que las estructuras deberían exhibir todas las propiedades correctas”. Luego regresó a Utrecht y discutió el problema con sus estudiantes, quienes estaban muy interesados en hacer los cálculos. Junto con el estudiante de maestría Robert Canyellas, su antiguo candidato a doctorado Rodrigo Arouca (ahora en la Universidad de Uppsala) y el actual candidato a doctorado Lumen Eek, el equipo teórico logró explicar los experimentos y confirmar las nuevas propiedades.

Dimensiones inexploradas

En investigaciones de seguimiento, el grupo experimental en China intentará hacer crecer un superconductor sobre la estructura fractal. Estas fractales tienen muchos agujeros y hay corrientes sin pérdidas que fluyen alrededor de muchas de ellas. Estos podrían utilizarse para el procesamiento de información energéticamente eficiente. Las estructuras también exhiben modos de energía cero en sus esquinas, combinando así lo mejor de los mundos unidimensional y bidimensional, según Morais Smith. “Si esto funciona, podría revelar aún más secretos inesperados escondidos en la dimensión 1.58”, dice. “Las características topológicas de las fractales realmente muestran la riqueza de entrar en dimensiones inexploradas”.