Propietate topologikoak dituzten materialak aurkitzeko metodo berri bat garatu dute

Universidad del País Vasco/Euskal Herriko Unibertsitateko, Donostia International Physics Centerreko, Princetongo Unibertsitateko eta Dresdengo Max Planck Institutuko ikertzaileak biltzen dituen nazioarteko ikerketa talde batek teoria berri bat aurkeztu eta garatu du, propietate topologikoak dituzten materialak era sistematikoan eta eraginkorrean aurkitu eta karakterizatu ahal izateko. Lana Nature aldizkariaren azala izan da aste honetan eta isolatzaileak eta aldi berean metalak diren material itxaropentsu horiek ulertzeko era berri bat proposatu du. Halaber, naturan orain arte uste baino presentzia handiagoa izan dezaketela frogatu du.

Orain dela 10 urte eskas, fisikan eta kimikan onartutako teorien arabera, materialak metalak, semimetalak eta isolatzaileak ziren eta material erdieroaleak azken horien kasu berezi bat ziren. Hiru talde handi horietako sailkapena "banden teoria" delakoan oinarritzen da eta horrek, funtsean, propietate elektronikoak eta osagai kimikoen arteko loturek materialaren propietate horietan nola eragiten duten aztertzen du. Ikuspegi fisikotik, material bat talde horietako batean sartzeko balentzia eta eroapen banden artean energia salto bat dagoen ala ez ikusten da eta, badago, bere tamaina aztertzen da ere.

Egoera edo propietate berririk aurkitu gabe igarotako denbora baten ostean, ezagutza eremu honek berpizte bat bizi du azken urteotan, banden teoria konbentzionalaren bitartez barnean isolatzaileak baina azalean eroaleak diren material batzuk iragarri baitira; hau da, isolatzaileak eta eroaleak dira aldi berean. Eta, gainera, azaleko egoera eroale edo metaliko horrek ez du apenas energiarik galtzen giro tenperaturan eta oso sendoa da balizko ezpurutasunen aurrean: topologikoki babestua dagoela esaten da. Gorputz geometrikoak etengabe desitxuratzean beren izaera mantentzen duten propietateak zeintzuk diren aztertzen duen matematikaren adarra da topologia. Analogia horrekin jarraituz, material topologikoak dira kristalaren egiturari eta simetriari esker beren propietateak zehaztuta edo "babestuta" dituzten materialak; hau da, aipatu egitura aldatu ezean, ez dago propietate horiek aldatzerik.

Propietate bereziak dituzten material topologiko horien aurkikuntzak sustatu duen interesaren adierazlerik onena da 2016ko Fisika Nobel saria arlo berri horren aitzindarietako hiruri eman zitzaiela. Halere, nahiz eta material horiek propietate bitxiak eta itxaropentsuak izan, egitura inorganikoen datu basetan katalogatuta dauden ia 200.000 material horietatik, egoera edo fase topologiko hori agertzen duten 100 material eskas aurkitu dira azken 10 urteotan.

Orain, UPV/EHUko Zientzia eta Teknologia Fakultateko Materia Kondentsatuaren Fisika Saileko Luis Elcoro eta Mois Aroyo irakasleen eta UPV/EHUko fakultate bereko Fisika Aplikatua II saileko irakasle eta DIPCko ikertzaile Maia García Vergnioryren parte-hartzea izan duen nazioarteko ikerketa talde batek paradigma berri bat aurkeztu eta garatu du banden egitura elektronikoaren teorian, Felix Bloch fisikari suitzarrak, besteren artean, XX. mendeko lehen zatian hasi zuen lan aitzindaria osatuz honela. Ikerketa berri eta iraultzaile honek osagai berriak sartu ditu Blochen teorian eta propietate topologikoak dituzten material metaliko eta eroaleak aurkitu eta karakterizatzeko era deskriptiboago, azkarrago eta eraginkorrago bat ekarri du.

Ikerketa taldeak bere "kimika kuantiko topologikoa" delako teoria berria erabili du balizko simetria guztietarako oinarrizko banda mota guztiak karakterizatzeko, zientzialari guztien esku dagoen kontsulta katalogo bat osatuz. Bertan, mundu osoko ikertzaileek material topologikoak izan daitezkeen ustezko materialak bila ditzakete, kostu konputazio kalkulu aspergarri eta neketsuen beharrik gabe. Informazio guzti hori eta aurrekoa egiteko erremintak UPV/EHUko irakasle-ikertzaileek garatu eta mantentzen duten Bilbao Crystallographic Server (www.cryst.ehu.eus) zerbitzarian daude eskuragarri.

"Argitaratu diren emaitzek frogatzen dutenez, isolatzaile eta material topologikoek orain arte uste baino presentzia handiagoa dute naturan; hori oso itxaropentsua eta interesgarria da, materialak ulertzeko era berri bat eta energia disipazio baxuko elektronika berri bat irekitzen baititu, bai eta etorriko diren beste aurkikuntza asko ere", adierazi dute egileek.