Material “topologikoak” harrigarriro ohikoak dira eta ezaugarri horrek aukera irekiko du etorkizuneko elektronikan bide berriak jorratzeko

Material topologikoak iragartzen lagunduko duen onlineko katalogo baten sorkuntzan parte hartu dute UPV/EHUk eta DIPCk

  • Ikerketa

Lehenengo argitaratze data: 2019/02/28

Luis Elcoro eta Maia Garcia Vergniory
Luis Elcoro eta Maia Garcia Vergniory. Argazkia: UPV/EHU.

Garai batean arrarotzat jotzen ziren eta portaera bitxia zuten “material topologikoak” egiaz nahiko ohikoak dira. Aurkikuntza horrek iragartzen du zer potentzial duten material horiek etorkizuneko elektronikan bide berriak garatzeko. Nazioarteko ikertzaile-talde batek, tartean UPV/EHUko eta DIPCko ikertzaileak dituenak, onlineko katalogo bat sortu du, taula periodikoan oinarrituta, ezohiko material horien bertsio berriak errazago diseinatzeko. Lan hori Nature aldizkarian argitaratu dute.

2016. urtean Fisikako Nobel saria irabazi zuen ikerketa-gaiak aurrerapauso handi bat eman du orain, nazioarteko talde batek aurkitu baitu portaera elektroniko bitxiak dituzten eta material topologiko deritzen substantziak, egiaz, nahiko ohikoak direla, eta eguneroko material batzuk ere barne hartzen dituztela, hala nola artsenikoa eta urrea. Onlineko katalogo bat sortu du taldeak material topologiko berrien diseinatzea errazteko, taula periodikoko elementuak erabiliz.

Propietate ustekabeak eta arraroak dituzten materialok aldatu egin dute zientzialariek elektroien portaerari buruz zuten jakintza. Ikertzaileek espero dute substantzia horiek etorkizuneko teknologiaren oinarria izatea, esate baterako potentzia txikiko gailuetarako eta konputazio kuantikorako. 

"Analisia egindakoan eta akatsak zuzendutakoan, emaitza harrigarriak izan genituen: material guztien laurdenak baino gehiagok nolabaiteko topologia du —dio B. Andrei Bernevig artikuluaren egile senior eta Princetongo fisikako irakasleak—. Topologia nonahikoa da materialen artean, ez exotikoa".

Material topologikoak interesgarriak dira beren gainazalek erresistentziarik gabe eraman baitezakete elektrizitatea, eta, hortaz, gaur egungo teknologiak baino azkarragoak eta energetikoki eraginkorragoak izan daitezke. Material topologiko izena azpian duten teoria batetik datorkie, zeina topologian baitago oinarrituta, hau da, objektuak luzatzeko edo tolesteko gaitasunaren arabera deskribatzen dituen matematikako adarrean.

Materiaren egoera berezi horien azalpen teorikoaren hastapenak izan ziren 2016ko Fisikako Nobel sariaren oinarria. Sari hura partekatua izan zen, Princeton Unibertsitateko irakasle F. Duncan Haldanek —Sherman Fairchild Unibertsitateko Fisikako irakasleak—, Brown Unibertsitateko J. Michael Kosterlitzek eta Washingtongo Unibertsitateko (Seattle) David J. Thoulessek jaso baitzuten.

Orain arte, ezagutzen diren 200.000 material ez-organiko kristalinoetatik ehunka gutxi batzuk baino ez dira topologiko gisa karakterizatu; ezohikoak direla uste zen. "Erabat osatzen denean, bidea irekiko dio katalogoak material topologikoen diseinuaren aro berri bati", adierazi du Bernevigek. "Beste mota bateko taula periodiko baten hasiera da, non konposatuak eta elementuak propietate topologikoen arabera sailkatuta baitaude, ohiko irizpideen arabera sailkatuta egon ordez".

Erakunde hauetako ikertzaileek osatzen dute nazioarteko taldea, besteak beste: Princeton Unibertsitatea, Donostia International Physics Center, Ikerbasque, Euskal Herriko Unibertsitatea, École Normale Supérieure Paris, eta Ikerketa Zientifikorako Frantziako Zentro Nazionala eta Solidoen Fisika Kimikorako Max Planck Institutua.

25.000 material ez-organiko inguru ikertu dituzte ikertzaileek, zeintzuen egitura atomiko zehatza esperimentalki ezagutzen baita, eta Kristal Ez-organikoen Egituraren Datu Basean sailkatu dituzte. Emaitzek agerian utzi dute ez direla ezohikoak, aitzitik, naturako materialen % 27 baino gehiago topologikoak direla.

Duela gutxi sortutako onlineko datu-basea edonoren eskura jarri dute hemen: www.topologicalquantumchemistry.com. Bertan, bisitariek taula periodikoko elementuak hauta ditzakete konposatuak sortzeko eta, gero, erabiltzaileak haien propietate topologikoak aztertzeko. Gaur egun, material gehiago ari dira aztertzen eta datu-base batean ezartzen, eta  aurrerago argitaratuko dute.

Bi faktoreren bidez lortu dute 25.000 konposatuak topologikoki sailkatzeko eginkizun konplexua egitea. Lehenengo, duela bi urte, lan honetako egileetako batzuek teoria bat garatu zuten: kimika kuantiko topologikoa, Naturen argitaratua 2017an. Hari esker, materialen propietate topologikoak sailka daitezke konposatua osatzen duten atomoen posizioa eta izaera jakite hutsarekin. Bigarrenik, ikerlan honetan, teoria hori aplikatu die lantaldeak Kristal Ez-organikoen Egituraren Datu Baseko konposatuei. Horretarako, jarraibide konputazional ugari diseinatu, idatzi eta moldatu behar izan dituzte, materialetako elektroien energia-mailak kalkulatzeko.

“Programa zaharretan sartu behar izan genuen, eta haietan modulu berriak gehitu, beharrezko propietate elektronikoak kalkula zitzaten”, azaldu du Zhijun Wang-ek, Princetonen doktoratu osteko ikertzaile elkartua izandakoak eta egun Beijingo Materia Kondentsatuaren Fisikako Laborategi Nazionaleko eta Txinako Zientzia Akademiako Fisikako Institutuko irakasle denak.

“Ondoren, lortutako emaitzak aztertu behar izan genituen, baita haien propietate topologikoak kalkulatu ere, garatu berri genuen kimika kuantiko topologikoaren metodologian oinarrituta", argitu du Luis Elcoro UPV/EHUko Materia Kondentsatuaren Fisika Saileko irakasleak.

Hainbat kode-multzo idatzi zituzten, egiazko materialetan elektroien topologia eskuratu eta aztertzen dituztenak, eta edonoren eskura jarri dituzte kodeok Bilbao Crystallographic Server-en bitartez. Garching-eko (Alemania) Max Planck Superkonputazio Zentroaren laguntzaz, 25.000 konposatuetan exekutatu zituzten ikertzaileek kode horiek.

"Konputazionalki, lan izugarri handia izan zen", gogoratu du Nicolas Regnault Parisko École Normale Supérieure-ko irakasle eta Ikerketa Zientifikorako Frantziako Zentro Nazionaleko ikertzaileak. "Zorionez, teorikoki ikusi genuen aurretik behar genituen datu guztien zati bat baino ez genuela kalkulatu behar. Espazio parametriko osoaren zati batean bakarrik begiratu behar dugu elektroiak “zertan dabiltzan” sistemaren topologia ezagutzeko".

"Sailkapen honi esker, askoz sakonago ezagutzen ditugu materialak", jakinarazi du Maia Garcia Vergniory Donostia International Physics Centerreko ikertzaileak. "Materialen propietateen jakintzaren muin-muinera iristen ari gara, zinez".

Dresdengo (Alemania) Solidoen Fisika Kimikoko Max Planck Institutuko irakasle Claudia Felser-ek orain baino lehen iragarri zuen urrea ere topologikoa dela, eta, haren arabera, "ezagutzen ditugun materialen propietate asko, urrearen kolorea kasu, topologian oinarrituta azal daitezke".

Une honetan, “kalitate handiko” datu-basean gutxi gorabehera falta diren 45.000 konposatuen izaera topologikoa sailkatzen dihardute ikertzaileek. Hurrengo urratsen artean daude konposatu onenak identifikatzea, haien moldakortasunaren, eroankortasunaren eta bestelako propietateen arabera, eta esperimentalki frogatzea izaera topologiko hori. "Orduan posible izango da taula periodiko topologiko oso batekin amets egitea", dio Bernevigek.

Erreferentzia bibliografikoa