Aislador topológico
Un aislante topológico es un material cuyo interior se comporta como un aislante eléctrico mientras que su superficie se comporta como un conductor eléctrico , [3] lo que significa que los electrones sólo pueden moverse a lo largo de la superficie del material.
Un aislante topológico es un aislante por la misma razón que lo es un aislante " trivial " (ordinario): existe una brecha de energía entre las bandas de valencia y conducción del material. Pero en un aislante topológico, estas bandas están, en un sentido informal, "retorcidas", en relación con un aislante trivial. [4] El aislante topológico no se puede transformar continuamente en uno trivial sin desenroscar las bandas, lo que cierra la banda prohibida y crea un estado conductor. Así, debido a la continuidad del campo subyacente, el borde de un aislante topológico con un aislante trivial (incluido el vacío , que es topológicamente trivial) se ve obligado a soportar un estado conductor. [5]
Dado que esto es el resultado de una propiedad global de la estructura de bandas del aislante topológico , las perturbaciones locales (que preservan la simetría) no pueden dañar este estado de la superficie. [6] Esto es exclusivo de los aisladores topológicos: mientras que los aisladores ordinarios también pueden soportar estados superficiales conductores, solo los estados superficiales de los aisladores topológicos tienen esta propiedad de robustez.
Esto lleva a una definición más formal de aislante topológico: un aislante que no puede transformarse adiabáticamente en un aislante ordinario sin pasar por un estado conductor intermedio. [5] En otras palabras, los aisladores topológicos y los aisladores triviales son regiones separadas en el diagrama de fases , conectadas únicamente por fases conductoras. De esta manera, los aislantes topológicos proporcionan un ejemplo de un estado de la materia no descrito por la teoría de ruptura de simetría de Landau que define los estados ordinarios de la materia. [6]
Las propiedades de los aisladores topológicos y sus estados superficiales dependen en gran medida tanto de la dimensión del material como de sus simetrías subyacentes , y pueden clasificarse utilizando la llamada tabla periódica de aisladores topológicos . Algunas combinaciones de dimensiones y simetrías prohíben completamente los aisladores topológicos. [7] Todos los aisladores topológicos tienen al menos simetría U(1) debido a la conservación del número de partículas y, a menudo, tienen simetría de inversión del tiempo debido a la ausencia de un campo magnético. De esta manera, los aisladores topológicos son un ejemplo de orden topológico protegido por simetría . [8] Los llamados "invariantes topológicos", que toman valores en o , permiten clasificar los aisladores como triviales o topológicos, y pueden calcularse mediante varios métodos. [7]
Los estados superficiales de los aisladores topológicos pueden tener propiedades exóticas. Por ejemplo, en aisladores topológicos 3D simétricos con inversión de tiempo, los estados de la superficie tienen su giro bloqueado en ángulo recto con respecto a su impulso (bloqueo de momento de giro). A una energía dada, los únicos otros estados electrónicos disponibles tienen espín diferente, por lo que la dispersión en "U" se suprime fuertemente y la conducción en la superficie es altamente metálica.