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Agencia TSS – La topología describe las propiedades que permanecen intactas cuando un objeto se estira, retuerce o deforma. Los avances en su estudio en materiales prometen, entre otras cosas, acelerar la llegada de una nueva generación de dispositivos electrónicos como las computadoras cuánticas, que se espera permitan resolver algunos problemas considerados imposibles para las máquinas de cómputo actuales.

La idea ha captado tanto interés en los últimos años que el premio Nobel en Física de 2016 fue otorgado a  David Thouless, Duncan Haldane y Michael Kosterlitz, por sus estudios sobre las fases topológicas de la materia. Empresas como Microsoft Google e IBM cuentan con grupos de investigación en tecnologías basadas en la física cuántica y la Comisión Europea lanzó una iniciativa de 1.000 millones de euros para promover la investigación y el desarrollo de estas tecnologías.

Un objeto de estudio de la topología de materiales son las denominadas “bandas de energía”. En un material topológico, esas bandas de energía mantienen su forma general, incluso cuando sufren una deformación suave. Por ejemplo, las estructuras de una esfera y una dona son diferentes y se mantendrán si se estiran y retuercen, puesto que una seguirá teniendo un agujero y la otra no. Algunos trazan una analogía en el campo biológico con la invariabilidad de la estructura de ADN y sus posibles aplicaciones van mucho más allá de la computación.

En la Argentina existen diversos grupos de investigación dedicados a estudiar temas vinculados con la topología. A principios de diciembre referentes locales del área como Liliana Arrachea (UNSAM/UBA), Carlos Balseiro (IB), Ana María Llois (CNEA/UNSAM), junto con colegas de otros países como Felix von Oppen (Universidad Libre de Berlín, Alemania) y Ángel Rubio (Universidad del País Vasco y director del Instituto Max Planck para la Estructura y Dinámica de la Materia), organizaron el taller Topological Quantum Matter en el Campus Miguelete de la UNSAM.

El encuentro fue realizado con el apoyo del Centro Internacional de Estudios Avanzados (ICAS), el CONICET y la Sociedad Max Planck y reunió a especialistas de todo el mundo. Entre ellos, Claudia Felser, directora del Instituto Max Planck para la Química Física del Estado Sólido en Dresde, Alemania, donde investiga en la frontera entre la química y la física, en busca de materiales con propiedades que favorezcan la generación y el almacenamiento de energía.

La topología es central en el desarrollo de una hipotética computadora cuántica. ¿Qué otras aplicaciones podemos esperar de los avances en esta disciplina?

Mucha gente cree que el futuro de la computación podría ser la computadora cuántica, pero eso puede ocurrir en varios años. Mientras tanto, ya hay algunas aplicaciones en el corto plazo, que son cosas que se conocían pero que no se sabía bien cómo ocurrían. Por ejemplo, hay muy buenos materiales termoeléctricos que pueden usarse para transformar el calor en electricidad. De ese modo, será posible reciclar el gasto calórico del motor de un auto para convertirlo en energía para impulsarlo. Incluso, ya hay aplicaciones disponibles en las que esos componentes pueden usarse para el almacenamiento de datos, basadas en lo que se denomina memoria magnética de acceso aleatorio, que puede ser mejorada significativamente con materiales topológicos.

Al permitir ahorrar energía se reduce el impacto sobre el medio ambiente…

Sí. Además de las propiedades termoeléctricas, creemos que podemos usarlas también para procesos químicos como catálisis, una posible aplicación en la que se podría ahorrar en el uso de energía. En computación, la mayoría de la gente no está al tanto de que las computadoras consumen mucha energía. Tenemos computadoras con cada vez mayor velocidad y almacenamiento, y cada vez más pequeñas, pero el gasto energético es enorme. Una computadora cuántica podría hacer cosas que las computadoras normales no pueden, porque implicaría un cambio fundamental en el modo de computar. También tendrá grandes consecuencias en el ámbito de la seguridad de la información, ya que serán inviolables.

¿Cuánto tiempo ha estado trabajando en topología?

Me empecé a interesar más en esto hace alrededor de diez años, pero soy una científica de los materiales, así que no solo he trabajado con materiales cuánticos. Antes estaba más interesada en materiales magnéticos.

¿Cómo llegó a la topología?

Fue muy interesante, porque yo quería tener más de un elemento en mis investigaciones. Entonces, un colega me invitó a una conferencia en la que uno de los teóricos hablaba de topología de materiales. Él trabajaba con dos elementos y después de  mi charla sobre los materiales con los que trabajo vino a verme y me invitó a que haciéramos algo juntos.

¿Ahora trabaja con algún material en particular?

Soy científica en el área de materiales y estoy trabajando con muchos. El silicio, por ejemplo, que es solo un elemento, pero hay otros materiales con dos elementos y yo quiero trabajar con tres, para tener mayor libertad para ajustar materiales.

¿De qué manera la topología permite crear nuevos materiales?

Se puede usar la topología para hacer materiales con ciertas propiedades. La topología proviene de las matemáticas y a veces es posible transferir ese concepto a las propiedades electrónicas de los materiales. Hay muchos materiales en la Tierra y ahora es posible volver atrás y ponerlos en cajas diferentes, dependiendo de su topología, y así predecir sus propiedades.

¿Hay diferencias entre el estudio de esta disciplina en países como la Argentina con respecto a otros más desarrollados?

No, es lo mismo. La única diferencia tal vez sea en la experimentación, creo que aquí hay más desarrollo teórico. Pero la teoría está en tu mente y eso no plantea diferencias entre un país en desarrollo y otros como Estados Unidos o Alemania. Las mentes son lo mismo y hay gente inteligente en todos lados. En experimentación, la principal barrera es que se necesitan equipos caros que se fabrican en unos pocos países.

¿Qué le diría a un científico joven que está pensando en orientar su carrera hacia esta disciplina?

La topología cuántica va a seguir evolucionando por lo menos durante 20 años. En ese sentido, creo que sólo hemos tocado la punta del iceberg. Áreas como química y ciencias de los materiales serán el lugar donde surgirán aplicaciones en computación y en almacenamiento de energía. El 98% de la química es catálisis y los avances en topología supondrán grandes ventajas en estos procesos. Las conexiones de la topología con otras disciplinas también van más allá de la ciencia: durante el taller en la UNSAM se generó un debate sobre cómo la topología también está relacionada con el arte. Si se piensa en diversas formas, como las esferas, fue interesante encontrar que algunas de las características que estamos mirando en la estructura electrónica de los materiales están presentes en pinturas de Paul Klee. Hay una conexión en ciertas cosas de la materia que va más allá de lo estrictamente científico.