Argi-kuantu bat materialen zientziarako

Sistema konplexuen, molekulen, nanoegituren eta solidoen propietate fisiko eta kimikoetan argiak induzitutako aldaketak iragartzeko ordenagailu bidezko simulazioek, oro har, ez dute kontuan hartzen argiaren izaera kuantikoa. Materiaren egitura eta dinamikarako Max Planck Institutuko (MPSD) ikertzaile batzuek, Ángel Rubio UPV/EHUko Materialen Fisikako saileko katedradun eta MPSDko Teoria saileko zuzendaria buru zutela, frogatu dute posible dela fotoien eragina behar bezala txertatzea kalkulu horietan. Azterketa horri esker, fotoiekin izandako elkarrekintzaren eraginez materialetan gertatzen diren propietate-aldaketak iragarri eta kontrolatu ahal izango dira, oinarrizko printzipioetatik hasita.

Atomoen, molekulen eta solidoen oinarrizko elementuak nukleoak eta elektroiak dira (karga positiboa eta negatiboa dute, hurrenez hurren). Batzuek besteekin dituzten elkarrekintzek zehazten dituzte materiaren propietate fisiko eta kimiko gehienak, hala nola eroankortasun elektrikoa edo argi-xurgapena. Elektroien eta nukleoen arteko elkarrekintza ahul horren atzean dauden legeak elektrodinamika kuantikoari dagozkio (QED); haren arabera, fotoiak, hau da, argi-kuantuak, elkarbanatuz gertatzen da partikulen arteko elkarrekintza. Alabaina, QEDaren ekuazioak hain konplexuak dira, ezen zientzialariek, praktikan, sinplifikatu egin behar izaten baitituzte egiazko materialen iragarpenak egiteko. Kimika kuantikoan eta egoera solidoaren fisikan, askotan, argiaren izaera kuantikoa arbuiatzen da. Hori onartzeak emaitza ona ematen badu ere aplikazio askotarako, berriki egindako esperimentuetan ikusi da zenbaitetan fotoien izaera kuantikoaren eraginez goitik behera alda daitezkeela materialen propietateak, eta talde portaera eta fenomeno berriak ager daitezkeela.

Ordenagailuan halako egoerak simulatzeko, eta kontuan izanda simulazio-teknika estandarrek, oro har, fotoiak alde batera uzten dituztela, MPSDko Teoria sailak, Angel Rubio irakasleak zuzenduta, metodo teoriko berri bat garatu du, zeinak kontuan hartzen baitu fotoiekin izaten den elkarrekintza. Oinarrizko ideia da partikulen eta fotoien QED sistema osoa fluido kuantiko gisa hartzea. Bertan, partikulak karga-korronte bidez adierazten dira, eta, fotoiak, ohiko eremu elektromagnetiko bidez, zeinak modu oso konplexuan eragiten baitu korrontearen gain. Berriki Proceedings of the National Academy of Sciences aldizkarian argitaratu duten lanean, egileek frogatu dute hurbilketa horren bidez zehatz-mehatz deskriba daitekeela gainazal batean harrapatuta dagoen eta fotoiekin elkarrekintza bortitzean dagoen elektroi baten dinamika. "Elektroi-fotoi akoplatuaren arazoa birformulatzearen abantaila da —diote Johannes Flick eta Michael Ruggenthaler ikertzaileek— horren bidez egiten diren hurbilpenetan kondizio beretan tratatzen direla fotoiak eta partikulak. Hala, fotoiak arbuiatzen ez dituzten eta praktikoak izaten jarraitzeko nahikoa sinpleak diren simulazio-teknikak sor ditzakegu". Kontzeptu-froga hori lortuta, hurrengo urrats batean, garatutako teknika erabili nahi du, Ángel Rubioren taldeak, sistema konplexuak ikertzeko fotoiak ustez oso zeregin garrantzitsua duten egoeretan, eta, hala, jakiteko nola aldatzen diren materialen propietateak. "Sistema konplexuetan, hala nola biomolekuletan, erreakzio kimikoak kontrolatzeko bide berri bat ematen du ikerketa horrek, bai eta materiaren egoera berriak diseinatzeko aukera ere", adierazi du UPV/EHUko katedradun Ángel Rubiok.

Bibliografia-erreferentziak:

J. Flick, M. Ruggenthaler, H. Appel, A. Rubio. (2015) "Kohn-Sham approach to quantum electrodynamical density-functional theory: Exact time-dependent effective potentials in real space". PNAS vol. 112 no. 50 http://dx.doi.org/10.1073/pnas.1518224112

Argazkia: UPV/EHU