En el mes de Julio de 2017 la revista Nature llevaba en portada un artículo que Maia firmaba junto a otros investigadores. Fue portada de esta prestigiosa revista científica porque ha abierto las puertas a una nueva era, la de los materiales topológicos. Abandonada la edad de piedra, la de los metales… toca ahora dejar a un lado la del silicio, materia prima de la electrónica. Ese nuevo material que domine el futuro aún no ha sido encontrado. “Lo que sí es posible es que se trate de un material topológico”. Son verdaderos bichos raros. Materiales que son aislantes en su interior, pero son conductores en la superficie, es decir, son aislantes y metales al mismo tiempo. Además, su estado conductor o metálico de la superficie apenas presenta pérdidas de energía a temperatura ambiente y son muy robustos frente a posibles impurezas: se dice que están protegido topológicamente.
La topología es la rama de las matemáticas que estudia qué propiedades de los cuerpos geométricos no se alteran al deformarlos de manera continua. Así que buscamos materiales que son aislantes y metales al mismo tiempo, y que conservan sus propiedades aunque les golpes con saña y con un martillo. Gracias al trabajo de Maia, miembro este año de la Selección Española de Ciencia, ahora son más fáciles de encontrar en la naturaleza. Posiblemente estemos a punto de dar con un sustituto del silicio menos contaminante, con más capacidad de almacenaje, mejor conductor… El material que permita al fin la llegada del ordenador cuántico, y que lo cambie todo de nuevo. Maia anda detrás de esto.
P: Maia, ¿cuánto pesa el ordenador con el que trabajas, cuánto ocupa, qué capacidad de almacenaje tiene, qué es todo ese cableado que se ve en las fotos…?
R: La supercomputadora se llama Atlas. Se trata de un sistema de supercómputo de memoria distribuida que consta de unos 250 nodos de cálculo repartido en 5 racks o armarios. Cada rack pesará media tonelada. El número total de cores o núcleos que lo componen se acerca a 8000 y la memoria RAM total del sistema es de 75 TB. Dispone además de 40 tarjetas NVIDIA Tesla P40.
El almacenaje permanente neto (espacio de usuario) de la solución es de 800 TB y y dispone de un espacio no permanente para trabajos de 280 TB en scratch y de 700 GB por nodo en scratches locales.
El vistoso cableado se debe a que actualmente los nodos están interconectados por una red de baja latencia y gran ancho de banda (56 Gbps) denominada Infiniband FDR que tenemos instalada en una topología fat tree con un factor de bloqueo 5 a 1. Del mismo modo los nodos están conectado a una red de gestión de 1 GBps. En breve habrá una parte de la solución que estará conectada a una Infiniband EDR de 100 Gbps con la misma topología y, adicionalmente, a una red Ethernet de 40 Gbps. Aunque yo uso esta máquina para calcular, me conecto a ella a través de mi portátil, por eso te dije que trabajaba con un ordenador.
P: ¿Por qué necesitas un ordenador así?
R: Los cálculos que hacemos se llaman ab initio, que quiere decir primeros principios. Apenas hacemos aproximaciones, lo cual quiere decir que estudiamos la dinámica de todos los electrones de cada átomo. Para llevar a cabo estos cálculos necesitamos supercomputadoras.
P: Un buen día decidiste especializarte en materiales. Cuéntame por qué
R: La verdad que no fue una decisión instantánea, hay muchos parámetros que te llevan a trabajar en un campo de investigación u otro. En mi caso he cambiado de campo tres veces, a veces por interés profesional, pero otras veces por oportunidades. Empecé a estudiar la topología en materiales en el 2012, más por casualidad que otra cosa.
Una vez en el campo me planteé ciertas preguntas (por ejemplo, por qué la mayoría de los materiales topológicos tenían estructura hexagonal, cual era el papel del resto de las simetrías cristalinas) y busqué la manera de contestarlas. Comencé así a trabajar con el grupo del Prof. Andrei Bernevig en Princeton y con el grupo de cristalografía de Departamento de Física de la Materia Condensada de la Universidad del País Vasco en Bilbao. Tras tres años de trabajo intenso conseguimos contestar todas estas preguntas, y así me especialicé en materiales topológicos.
P: Ya estabas detrás de los materiales topológicos cuando su descubrimiento se llevó el Nobel?
R: Sí, comencé a tarbajar en materiales topológicos en el 2012. Los artículos de Duncan Haldane y David Thouless ya los habían estudiado aquellos por los que les galardonaron con el premio Nobel.
P: Hay un chiste malo que seguro que te sabes sobre topología, ese de que un topólogo no sabe distinguir entre una taza y una rosquilla. ¿Puedes contarnos por qué este chiste explica los materiales topológicos?
R: Ja, ja, es muy malo/bueno la verdad. La topología clasifica objetos según su geometría. El teorema de Gauss-Bonet clasifica objetos realizando la integral de la curvatura sobre superficies cerradas, y su resultado es el número de agujeros (genus) que ese objeto posee. En este aspecto una taza y una rosquilla tienen ambas genus=1 y pertenecen a la misma clase topológica.
P: Han descubierto, dicen, 200 materiales topológicos, por el momento y decís que están en la naturaleza… ¿Dónde están?
R: Cuando decimos que están en la naturaleza nos referimos a que ya se han sintetizado en un laboratorio, vamos, que no son una predicción teórica. Creo que en la naturaleza el único material topológicos que se ha encontrado es la Kawazulite, que se encuentra en las minas de Kawazu en Japón.
P: ¿Cómo son a simple vista? ¿Se ven?
R: Si tienen el tamaño suficiente se ven, sí. Su color es más bien oscuro ya que son metales o semiconductores.
P: Se han descubierto por azar?
R: Los materiales topologicos se predigeron teóricamente, y posteriormente se descubrieron experimentalmente. Siempre hay un factor de azar en ciencia, pero en este caso hay mucho trabajo teórico previo.
P: ¿Tienen algo que ver con las conocidas como “tierras raras”?
R: Las tierras raras es el nombre de 17 elementos químicos de la tabla periódica que tienen muchos electrones. Se llaman «raras» por razones históricas, ya que es muy poco común encontrarlos en una forma pura. Hay materiales topológicos con tierras raras también.
P: El trabajo en el que has colaborado y publicó Nature en 2017 era una propuesta teórica que permitiría encontrar muchos más materiales topológicos. ¿Hacen falta más de 200? ¿Ninguno es todavía el que necesitamos?
R: Si hacen falta más de 200, aún no tenemos el candidato ideal.
P: Estos materiales son la futura sustitución del silicio?
R: Es difícil afirmar algo tan dramático, todavía queda mucho trabajo por delante para poder sustituir al silicio. Ahora, son unos candidatos muy interesantes: conducen la corriente eléctrica sin disipación, a temperatura ambiente e independientemente de los detalles macroscópicos.
P: ¿Y qué pasa con el grafeno, ha dejado de ser la esperanza?
R: El problema del grafeno es su producción a gran escala, es muy difícil y su calidad baja mucho. También hay muchos grupos trabajando en ello y seguro que encuentran soluciones.
P: ¿Cómo mejorará la tecnología? Finalmente, ¿tu ordenador será muchísimo más pequeño?
R: La idea es buscar una tecnología más limpia, que consuma menos energía y sea más respetuosa con el medio ambiente.
P: Pasamos de la Edad de Piedra, la Edad de Hierro, la Edad del Sílice… Nadie habla de una edad del plástico ni de una búsqueda desesperada por encontrar materiales no contaminantes que puedan sustituirlo, ¿o sí?
R: Digamos que el plástico no produjo un cambio de paradigma tan radical como otros materiales, en la edad de piedra nace la agricultura, en la de hierro los países, la revolución industrial etc. No obstante sí hay grupos investigando en esta dirección.
P: ¿Se te cuelan los materiales topológicos en los sueños? ¿Podrías describirme una mesa, o una casa futura construida con estos materiales?
R: Alguna vez he soñado con mi trabajo, sí. Una mesa construida con materiales topológicos sería una mesa metálica que conduciría corriente eléctrica en su superficie o en sus bordes, no se si mi imaginación da para mucho más.
Redacción QUO
