• Charles Kane, junto a su colega Eugene Mele, fue distinguido con los Premios Fundación BBVA Fronteras del Conocimiento en la categoría de Ciencias Básicas

• Charles Kane y Eugene Mele ganaron el Premio Fundación BBVA Fronteras del Conocimiento de Ciencias Básicas “por su hallazgo de los aislantes topológicos, una nueva clase de materiales con propiedades electrónicas extraordinarias: (…) se comportan como conductores en su superficie, pero como aislantes en su interior”.

El físico e investigador Charles Kane (Foto Oskar Martínez)

Entrevista en DEIA y Grupo Noticias de Nekane Lauzirika

Para una mortal del común, un aislante eléctrico y un conductor eléctrico son materiales opuestos en propiedades. ¿Cómo se les ocurrió indagar en esta doble propiedad de la materia: conductor y aislante al mismo tiempo?

Por supuesto, la idea de los conductores y los aislantes es la base para toda la tecnología que utilizamos hoy. Así que esto ha formado parte de mi educación. He estudiado siempre las propiedades eléctricas de la materia. Me interesaban mucho los conductores y los aislantes eléctricos. Nunca se nos había ocurrido que se podían dar en un mismo material al mismo tiempo estas dos propiedades. Pero había cierto precedente, un fenómeno que conocía bien en mis estudios, que se llama elefecto hall cuánticoque es una versión de esto. Básicamente se comporta como un aislante en el interior y hay un conductor eléctrico en el exterior. Es algo que yo conocía bien y por suerte comprendí que se podría generalizar este principio de forma muy interesante.

El grafeno no es un aislante topológico (AT). ¿Por qué dicen que su interés en él les llevó a los aislantes topológicos?

-Originalmente cuando yo empecé a estudiar este tema estudiábamos el grafeno. Era el verano de 2004. Y comprendí que la gente estaba intentando aislar grafeno y pensé: tengo que decir algo interesante. Lo especial del grafeno es que está en la frontera entre un conductor y un aislante eléctrico. Por eso me empecé a preguntar por qué está en esa frontera. Lo que comprendí es que como principio no debería ser un aislante eléctrico. Empecé a desarrollar una teoría para decir que el grafeno era un aislante y me di cuenta de que era un nuevo tipo de aislante, pero lo interesante, la tesis que esgrimí, se basó en argumentos de simetría. Es fantástico.

¿Por qué?

-Porque sabes que son precisos, pero lo que no conocemos es cuán grande es el efecto. El problema con el grafeno es que el aspecto que lo convierte en un aislante no es equivalente a cero en lo que significa límite de energía. En el caso del grafeno, ese límite es tan pequeño que en la práctica no es un aislante, pero en cualquier caso tiene ese valor no cero que me llevó a pensar que había algo muy novedoso sobre la estructura de los electrones del grafeno y por suerte hay materiales donde este efecto es mucho más grande y donde sí que se produce

AT. ¿Cómo se lo definiría a un joven de secundaria? Conductor por fuera, aislante en su interior.

-Lo primero de lo que se tiene que hablar es de en qué consiste un conductor eléctrico y un aislante eléctrico. Un conductor es algo que permite que los electrones fluyan, como el agua fluye, por ejemplo, a través de una tubería. Y un aislante eléctrico es algo que no permite que fluyan los electrones. La analogía que me gusta hacer para un aislante topológico es que en Estados Unidos tenemos dos caramelos que son dos chocolatinas pequeñitas envueltas en Albal. Y un aislante topológico es como esa chocolatina envuelta en Albal. El chocolate del interior es el aislante eléctrico y el aluminio del exterior es el conductor eléctrico. Esta analogía falla un poco porque es un caramelo frustrante porque sería imposible abrirlo. Si intentas cortarlo no podríamos retirarle la superficie, ni quitarle el envoltorio;tiene que estar ahí sí o sí.

Toparse con estos materiales AT, ¿fue un encuentro buscado, hubo fortuna, serendipia, fruto de la curiosidad, algo sorprendente?

-Hubo mucha serendipia. Antes hablaba del grafeno. Empecé a estudiar el grafeno y luego me llevó a los aislante topológicos. He de decir que fue cuestión de estar en el momento adecuado, en el lugar preciso. Reconozco que no hemos sido los únicos que hemos indagado en el tema. Ha habido otros físicos experimentales que han llevado a cabo aportaciones cruciales que han hecho que se desarrollara este campo. Eugene Mele, mi colega, y yo no hemos trabajado de forma aislada.

¿Es raro este fenómeno en la naturaleza?

-Es mucho más frecuente de lo que inicialmente pensamos. Esto requiere una serie de elementos que son pesados, en la parte baja de la tabla periódica;los materiales hechos con materiales pesados presentan este fenómeno de forma más común.

¿Estos AT se deben fabricar o existen como materiales conocidos en la naturaleza? ¿Son abundantes? ¿Desde 2005 han descubierto muchos? ¿Son caros?

-Se producen en materiales de la naturaleza. Hay aislantes topológicos tridimensionales, como el telururo de cadmio, un compuesto cristalino que se utiliza en la fabricación de células solares. Las personas han aprendido a cultivarlos y fabricarlos. Son relativamente fáciles de hacer y durante la última década ha sido sorprendente la cantidad de materiales descubiertos que son fáciles de fabricar.

Con sus AT, ¿podemos aspirar a dispositivos electrónicos aún más pequeños, más rápidos y eficaces y que no se sobrecalienten?

-Uno de los aspectos que hacen que estos AT sean especiales es que el conductor de la superficie permite un flujo de electrones más organizado que el flujo de electrones que vemos en un conductor eléctrico normal, donde hay una multitud que chocan con los demás y tienen dificultades para encontrar su camino. Es como actúan los electrones en un conductor eléctrico pequeño, pero en un AT es como si estuvieras en una cinta en el aeropuerto donde el flujo es más organizado y sistemático. Esto puede conducirnos a algunos usos o aplicaciones muy interesantes. El hecho de hayamos pasado de lo desorganizado a lo organizado hará que los conductores eléctricos puedan ser mucho más pequeños porque se organiza mejor el flujo de los electrones.

Con sus AT, ¿estamos más cerca de sus ordenadores cuánticos?

-Quizás. Existe la posibilidad de que los AT nos proporcionen una ruta, una nueva vía de almacenar y manipular la información cuántica. Hay varias ideas en torno a cómo hacerlo. Construir un ordenador cuántico será una tarea compleja. No sé si lo veré yo en mi vida y quizá sean los AT los que nos permitan desarrollar un ordenador cuántico, pero solo es una posibilidad. Nos proporcionan un objetivo hacia el que trabajar, una meta. Tendremos que tratar de almacenar y manipular información cuántica y este es un objetivo que tiene todo el sentido. Y habrá muchos dilemas científicos que iremos resolviendo.

Le gustaría cabalgar en el tiempo hasta 2050 y más allá para ver las aplicaciones de su descubrimiento. ¿Qué esperaría encontrar?

-No tengo ni la más remota idea. Vamos a viajar hacia atrás en el tiempo, a 1950. ¿Quién hubiera imaginado que tendríamos un teléfono móvil en nuestro bolsillo con la capacidad de hacer lo que hace? Sinceramente no tengo tal imaginación como para predecir lo que va a ocurrir.

Leo que su descubrimiento es un hallazgo físico-matemático, lógico, simple, bello. ¿Qué le sigue motivando más a la hora de investigar: la aplicación tecnológica del descubrimiento o el interés, la pasión, la curiosidad por el conocimiento?

-Personalmente tiene que ver más con esto último, que es lo que me motiva. Ser capaz de comprender las cosas. Me acuesto por la noche tratando de desentrañar cosas, intentando comprender. Cuando más feliz soy es cuando soy capaz de desentrañarlas. Esto es lo que más me motiva y me gusta de la ciencia. Evidentemente hay que hacer cosas relevantes, pero lo que me mueve es la belleza subyacente a la ciencia.

Ahora que aquí a todos los jóvenes matemáticos y físicos les fichan en empresas tecnológicas, ¿qué les diría para animarles a dedicarse a investigar en ciencia básica?

-Les diría que hay que comprender la estructura de la materia y cómo se comporta porque todavía hay mucho que averiguar sobre ella. Creo que nuestra comprensión de la mecánica cuántica, una teoría de principios del siglo XX, y la forma de cómo pensamos de ella, está todavía evolucionando. Hay mucho que hacer en este tema;hay muchos descubrimientos que están por llegar a la hora de comprender la implicaciones de la mecánica cuántica, sobre todo en lo que se refiere a los sistemas complejos que interactúan con muchas partículas. Todavía queda mucho por estudiar. Las próximas generaciones de científicos tendrán que trabajar en ello. Además, creo que es importante reconocer la relevancia de la investigación motivada por la curiosidad, creo que es algo muy importante y para mí un orgullo.