Qué tienen en común la cestería japonesa y la mecánica cuántica. En principio, compartir un nombre y un patrón. Las cestas de kagome se fabrican con tiras de bambú tejidas con un patrón simétrico de triángulos entrelazados que comparten la esquina y son una de las tradiciones de la cultura japonesa. Este patrón ha generado muchas veces la curiosidad de los científicos, planteando la hipótesis: es posible organizar los átomos de un metal u otra sustancia conductiva siguiendo sus enlaces y obtener un material con propiedades electrónicas.

Texto: Pura C. Roy | Periodista

Las posibilidades de este patrón simétrico llevaron a los científicos del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT), la Universidad de Harvard y el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley a centrar sus estudios en él y, a principios de 2018, anunciaron la creación de un nuevo material exótico llamado kagome metal, un cristal eléctricamente conductivo, compuesto por capas de átomos de hierro y estaño dispuestos en un patrón de celosía. El nuevo material se describe en un estudio publicado en la revista Nature.

Los investigadores observaron que al hacer fluir una corriente a través de las capas atómicas dentro del cristal, la corriente reaccionaba de forma inusual y que la disposición triangular de los átomos originaba comportamientos extraños, de tipo cuántico, en la corriente de paso. El equipo pensó que los electrones de la corriente fluirían directamente a través del enrejado, pero se doblaron en los finísimos senderos circulares y fluían por los bordes sin perder energía. 

Este comportamiento es ‘similar’ al llamado efecto Quantum Hall, en el que los electrones que fluyen a través de un material bidimensional exhibirán un “estado quiral y topológico” en el que se doblan en trayectorias circulares estrechas y fluyen a lo largo de los bordes sin perder energía.

El termino kagome Lattice (enrejado o celosía) no es nuevo, se vienen estudiando sus posibilidades desde los años cincuenta cuando investigadores japonesesse percataron de que algunos minerales magnéticos contienen capas atómicas en dos dimensiones en su estructura cristalina. 

Redes de kagome 

Joseph Checkelsky, coautor del estudio y profesor asistente de física en el MIT, ex plica que al construir la red de kagome con hierro, un material intrínsecamente magnético, el extraño comportamiento persiste incluso a temperatura ambiente y a temperaturas elevadas. Ciertos comportamientos llamados exóticos han necesitado de muy bajas temperaturas. “Las cargas en el cristal no solo sienten los campos magnéticos de estos átomos, sino también una fuerza magnética puramente cuántica de la red. Esto podría generar una conducción similar a la superconductividad, en las futuras generaciones de materiales”, explica Checkelsky. 

Para explorar estos hallazgos, el equipo midió el espectro de energía dentro del cristal, utilizando una versión moderna de un efecto descubierto por primera vez por Heinrich Hertz y explicado por Einstein, conocido como el efecto fotoeléctrico. 

Para Riccardo Comin, profesor asistente de física en el MIT y miembro del equipo lo que ocurre en este nuevo material es que “fundamentalmente, los electrones se expulsan primero de la superficie del material y luego se detectan en función del ángulo de despegue y la energía cinética. Las imágenes resultantes son una instantánea muy directa de los niveles electrónicos ocupados por los electrones, y en este caso revelaron la creación de partículas ‘Dirac’ casi sin masa, una versión de fotones cargados eléctricamente, los cuantos de luz”. 

Teóricamente, esto se explica por la presencia de los átomos de hierro y estaño que constituyen la retícula. Los primeros son magnéticos y dan lugar a una “destreza” o quiralidad. Los segundos poseen una carga nuclear más pesada, produciendo un gran campo eléctrico local. A medida que una corriente externa fluye, percibe el campo de estaño no como un campo eléctrico sino como un campo magnético, y se aleja”, matiza Comin. 

Teóricamente, con anterioridad ya se había predicho que las redes de kagome podían albergar estados electrónicos de Dirac que podían conducir a fases aislantes topológicas y al número de Chern. El número de Chern determina el número de canales unidireccionales (quirales) que se propagan por el borde de la muestra. La topología es la rama de las matemáticas que estudia qué propiedades de los cuerpos geométricos permanecen invariantes cuando los deformamos de manera suave. 

Metal kagome 

Para construir el metal kagome, los investigadores unieron hierro y estaño, calentaron el polvo resultante en un horno a aproximadamente

1.380 grados Fahrenheit (750 grados Celsius), porque en este punto los átomos de hierro y estaño se cristalizan y comienzan a organizarse en un enrejado similar al patrón kagome. Luego los cristales se sumergen en un baño de hielo, lo que ayuda a que los patrones enrejados permanezcan estables a temperatura ambiente. Linda Ye, también del MIT y coautora del estudio, explica que el patrón de kagome deja grandes espacios vacíos que podrían ser fáciles de ‘tejer’, pero como a menudo los sólidos cristalinos son inestables, es mejor utilizar un embalaje de átomos. Por lo tanto, estos espacios se cubrieron con un segundo tipo de átomo que permanece estable a altas temperaturas. 

Generar propiedades eléctricas especiales llevará a los científicos a investigar con nuevas formas de generar kagome, ya que opinan que con él se podrán fabricar dispositivos eléctricamente eficientes al no perder energía y ser empleados en líneas eléctricas o circuitos electrónicos súperrápidos.“Por lo tanto, esta nueva tecnología podría aplicarse al campo de la computación cuántica”, opina Checkelsky. Por ahora, las aplicaciones de este descubrimiento se limitarán al campo teórico, ya que quedan muchas cosas aún por corroborar y descubrir en este interesante campo científico. Las aplicaciones prácticas que podrá tener este descubrimiento son ahora difíciles de imaginar, pero haberlas las habrá. 

La inspiración japonesa 

La inspiración japonesa también se manifiesta en los laboratorios españoles. Distintas investigaciones se centran en dominar el mundo cuántico teniendo en el punto de mira a las ancestrales y original es técnicas japonesas de generar formas. 

“Los metamateriales reconfigurables en forma son capaces de lograr un cambio morfológico al aplicar cargas y mantener la forma deseada cuando se elimina la carga”, explica Johan Christensen del departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales e Ingeniería Química de la UC3M y coautor de un artículo sobre los desafíos a los que se enfrentan los metamateriales mecánicos flexibles en la revista Nature Reviews Materials. “Estos metamateriales exhiben funcionalidades exóticas, como transformaciones de patrón y forma en respuesta a fuerzas mecánicas”, señala el estudio. Un ejemplo son las estructuras basadas en el origami (el arte del plegado del papel para obtener figuras de formas variadas) o en el kirigami (el arte del papel cortado para obtener polígonos). 

“La investigación en el campo de los metamateriales, diseñados para tener propiedades inusuales como que puedan cambiar su forma o dureza, ha avanzado mucho en los últimos años de la mano de tecnologías como la impresión 3D, la simulación por ordenador o ciertas innovaciones conceptuales”, comenta Christensen. En este estudio, los investigadores también han analizado algunos de los retos a los que se enfrentan los científicos que trabajan en este campo, como el impacto que tienen ciertas tecnologías que se encuentran en pleno desarrollo, como la impresión 3D o el corte por láser, por ejemplo. “Muchas de estas técnicas aún se encuentran en sus primeras etapas”, señalan, pero abren la posibilidad de combinar materiales con funcionalidades específicas para obtener metamateriales híbridos con “propiedades optomecánicas, termomecánicas o electromecánicas”.

Christensen desarrolla esta línea de investigación sobre metamateriales en el marco de un proyecto científico financiado por la Unión Europea que se denomina Frontiers in Phononics: Party-Time Symmetric Phononic Metamaterials (PHONOMETA). En este contexto, su objetivo es analizar y diseñar una nueva generación de metamateriales basados en semiconductores piezoeléctricos que permitan optimizar el funcionamiento de sistemas acústicos complejos, como los sónar utilizados en los submarinos. Dentro de sus diseños también interviene la investigación con el patrón kagome.