Charles Kane, a la izquierda, y Eugene Mele
Charles Kane, a la izquierda, y Eugene Mele

Hasta hace unos años, la física conocía solo dos tipos de materiales: conductores y aislantes; los metales que conducen la electricidad y los aislantes que no lo hacen. Pero en 2005 dos científicos estadounidenses sacudieron los cimientos de la ciencia al mostrar la existencia de una nueva clase de materiales, aislantes en su interior y conductores en la superficie: los aislantes topológicos.

Los físicos estadounidenses Charles Kane (Urbana, Illinois, 1963) y Eugene Mele (Filadelfia, Pensilvania, EE UU, 1950), los descubridores de estos materiales, profesores distinguidos de Física en la Universidad de Pensilvania, han recibido este miércoles el premio Fronteras del Conocimiento de la Fundación BBVA en la categoría de Ciencias Básicas.

El jurado los ha reconocido por haber descubierto “una nueva clase de materiales con propiedades electrónicas extraordinarias” y ha calificado el descubrimiento de “sorprendente”. Los miembros del jurado han señalado además la trascendencia del hallazgo.

“Los principios básicos en que se sustentan los aislantes topológicos tienen implicaciones importantes más allá de la física de la materia condensada, por ejemplo en la generación de dispositivos fotónicos y electrónicos eficientes, o para el procesado de información cuántica”. La selección de los candidatos nominados se realiza en colaboración con el Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC).

Kane es autor de casi un centenar de artículos y ponente habitual en conferencias y congresos internacionales. Mele, miembro de la Sociedad Americana de Física, ha publicado 180 artículos de investigación en revistas de prestigio y es además revisor de publicaciones como Science, Nature, American Journal of Physics o Physical Review Letters. Ambos han escrito 28 artículos juntos.

Charles Kane (imagen facilitada por BBVA).

El jurado de esta categoría, concedida por undécima vez, ha estado presidido por el físico alemán Theodor Hänsch, premio Nobel de Física y director de la División de Espectroscopia Láser del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica en Alemania, y ha contado como secretario con el físico español Ignacio Cirac, premio Fundación BBVA Fronteras del Conocimiento en Ciencias Básicas 2008 y director de la División Teórica del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica.

El origen de este nuevo conocimiento se remonta a 2004 cuando los científicos descubrieron las propiedades del grafeno, una lámina de solo un átomo de espesor. Mele y Kane se dieron cuenta de que este no era ni aislante ni conductor eléctrico, sino que estaba en un “punto crítico entre los dos estados”, ha explicado Mele a los medios tras conocer el fallo.

En 2006 propusieron construir un material real que fuera aislante topológico y, un año más tarde, un laboratorio logró combinar mercurio y telurio, con lo que consiguió dar con las propiedades predichas. Sin embargo, como el grafeno, esta mezcla era un material bidimensional (de solo un átomo de grosor) que resultó muy difícil de sintetizar.

Una década más tarde se produjo la verdadera revelación con el descubrimiento de que existen en la naturaleza aislantes topológicos tridimensionales, como el telururo de cadmio, un compuesto cristalino que se utiliza en la fabricación de células solares.

Este acontecimiento también sorprendió a los galardonados. “Al principio pensábamos que (los aislantes topológicos) solo podían darse a escalas de energía demasiado pequeñas para ser útiles, pero después nos dimos cuenta de que también era posible en materiales tridimensionales y a escalas accesibles”, ha confesado Mele. “Nos dimos cuenta de que este fenómeno no es algo raro o excepcional en la naturaleza, sino que hasta entonces nadie se había hecho esta pregunta ni lo había buscado”, ha añadido.

Eugene Mele (imagen facilitada por BBVA).

Implicaciones más allá de la ciencia

Una de las cualidades más relevantes de estos materiales es que la conductividad en su superficie es “robusta en un sentido fundamental”, según las palabras del jurado, lo que significa que estos no se ven afectados por la presencia de impurezas o perturbaciones en general que sí interfieren con los conductores convencionales.

“(En los aislantes topológicos) la superficie conductora es muy especial porque no se puede destruir, es muy robusta, y por ese motivo puedes hacer con ella cosas que no puedes hacer con otros materiales conductores. Es una nueva fase de la materia, un aislante que tiene capacidad garantizada de conducción en su superficie, y además es topológica, es decir, se puede deformar sin perder esa propiedad de conductividad”, ha añadido Kane.

Con esta propiedad abre la puerta a mejoras en los dispositivos electrónicos actuales ya que, en los aislantes topológicos, “el flujo de electrones en la superficie está más organizado en en un conductor convencional y esto podría permitir un flujo más eficiente, sin sobrecalentamiento”, ha detallado Kane.

Pero las implicaciones más prometedoras siguen siendo una promesa. Una conductividad de este tipo permitiría el desarrollo de ordenadores cuánticos, que multiplicarían la capacidad de computación de forma exponencial.
Para los investigadores, el valor de su hallazgo va más allá de su funcionalidad. “A mí lo que me motiva es descubrir la belleza de lo que la naturaleza es capaz de hacer”, sentencia Kane. Por esta hazaña, los científicos norteamericanos recibirán 400.000 euros el próximo 18 de junio en el Palacio Euskalduna de Bilbao.

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