Topologia ahula: etorkizuneko materialetako elektroi-fluxu bitxia azaldu dute bi ikerketatan

Isolatzaile topologiko jakin batzuen gainazaleko elektroi-fluxu perfektua oso ahula izan daitekeela frogatu du ikertzaile-talde batek

  • Ikerketa

Lehenengo argitaratze data: 2020/02/13

Luis Elcoro ikertzailea. Foto: Laura López (UPV/EHU)

Isolatzaile topologiko deritzen material kristalinoek ezin hobeto eroaten dute korrontea gainazalean, hala egiten ez dutenean izan ezik. Science aldizkariak argitaratutako bi ikerketatan azaltzen dute nola sortzen diren eroankortasun txikiko egoera topologiko "ahulak" eta eroankortasuna nola berrezar daitekeen. Princeton Unibertsitateko ikertzaile batzuk izan dira ikerketen buru, eta, horietako batean, UPV/EHUko ikertzaile batek ere parte hartu du.

Ezohiko material kristalino jakin batzuen gainazaletik higitzen dira elektroiak, halakorik egiten ez dutenean izan ezik. Science aldizkarian argitaratu berri dituzten bi ikerketatan, ezohiko portaera horren jatorria azaldu dute, eta kristal berezi horien eroankortasuna berrezartzeko modu bat deskribatu dute. Preziatuak dira materialok, etorkizuneko teknologietan erabil litezkeelako, tartean ordenagailu kuantikoetan.  Ikerketa horien buru Princeton Unibertsitateko ikertzaile batzuk izan dira, eta haietako batean parte hartu du UPV/EHUko Zientzia eta Teknologia Fakultateko Materia Kondentsatuaren Fisika saileko ikertzaile batek.

Azkeneko 15 urteetan, isolatzaile topologiko deritzen materialek bereganatu dute etorkizuneko materialen bila dabiltzanen arreta. Ezohiko propietate bat dute kristalok: barrualdea isolatzailea dute —elektroiek ezin dute zeharkatu—, baina gainazalak eroale perfektuak dira, eta elektroiak inolako erresistentziarik gabe dabiltza haietatik.

Hori zen errealitatea, orain dela bi urte aurkitu zuten arte material topologiko batzuek ezin dutela korrontea eroan beren gainazalean; topologia “ahul” deitu zioten fenomeno hari.

"Topologia ahula munstro bitxi bat da: ehunka materialetan dagoela iragartzen da orain", dio B. Andrei Bernevig, Princetongo fisikako irakasle eta bi ikerketa-lanen egileetako batek. "Egoera topologikoak esperimentalki zehazteko oinarri gisa erabili dugun ohiko printzipioak huts egingo balu bezala izan zen”. 

Egoera ahulak nola sortzen diren jakiteko, bi baliabide erabili zituzten ikertzaileek: ekuazio matematikoak eta 3D inprimatzea. Luis Elcoro UPV/EHUko Zientzia eta Teknologia Fakultateko Materia Kondentsatuaren Fisika Saileko irakaslearen laguntzaz, Bernevigek eta doktoretza osteko ikertzaile Zhi-Da Song-ek teoria matematiko bat eraiki zuten materialen barruan zer gertatzen den azaltzeko.  Ondoren, Sebastian Huber-ek eta ETH Zurich-eko bere taldeak —Princetongo, Israelgo Weizmann Zientzia Institutuko, Txinako Hegoaldeko Unibertsitate Teknologikoko eta Wuhango Unibertsitateko ikertzaileekin elkarlanean— teoria frogatu zuten, 3D inprimagailu bidez berariaz sortutako plastikozko piezekin eraikitako tamaina errealeko material topologiko batean.

Material topologikoen izena matematikaren alor batetik dator; topologiak azaltzen du zer erlazio duten objektu jakin batzuek, hala nola erroskillek eta kafe-kikarek (biek dute zulo bat). Printzipio berberen bitartez azaldu daiteke nola egiten duten jauzi elektroiek atomo batetik bestera, orain arte identifikatuta dauden 20.000 material topologiko ingururen gainazalean. Material topologikoen oinarri teorikoak ezartzeagatik Fisikako Nobel Saria jaso zuten 2016an F. Duncan Haldane-k, David J. Thouless-ek eta Michael Kosterlitz-ek.

Propietate elektroniko paradoxikoak dituztelako dira kristal horiek hain interesgarriak zientzialarientzat. Kristalaren barrualdea ez da gai korrontea eroateko, isolatzailea da. Baina kristala erditik moztuz gero, elektroiak inolako erresistentziarik gabe higituko dira sortu berri diren gainazaletatik, materialaren izaera topologikoak babestuta.

Gainazaleko eta barrualdeko elektroien arteko konexioa dago fenomeno horren atzean. Elektroiak ikus daitezke, ez banakako partikula gisa, baizik eta urmael batera botatako harri-koskor batek eragindako uhinen antzera hedatzen diren uhin gisa. Mekanika kuantikoaren ikuspegi horretan, hedatuz doan uhin baten bidez deskribatzen da elektroi bakoitzaren kokapena, eta uhin-funtzio kuantiko esaten zaio. Material topologikoetan, barrualdeko elektroi baten uhin-funtzio kuantikoa kristalaren ertzeraino hedatzen da, alegia, gainazalaren mugaraino. Barrualdearen eta ertzaren arteko konexio horrek sorrarazten du egoera erabat eroalea izatea gainazalean.

“Barrualde-gainazal korrespondentzia (bulk-boundary correspondence ingelesez)” horrek oso harrera ona izan zuen gainazaletako eroankortasun topologikoa azaltzeko, orain dela bi urtera arte. Orduan, zenbait lan zientifikok agerian utzi zuten topologia ahula existitzen zela. Ohiko egoera topologikoetan ez bezala, egoera topologiko ahulek ez dute eroankortasun-egoerarik gainazalean. "Ohiko barrualde-gainazal printzipioak huts egin zuen", azaldu du Bernevigek. Baina ezin izan zuten argitu zer dela eta gertatzen den zehazki.

Sciencen argitaratutako bi lanetako lehenengoan, Bernevigek, Songek eta Elcorok teorikoki azaltzen dute topologia ahula esplikatzen duen beste barrualde-gainazal korrespondentzia bat. Egileek erakusten dute topologia ahulean elektroien uhin-funtzioa kondizio jakinetan bakarrik hedatzen dela gainazaleraino, eta barrualde-gainazal korrespondentzia bihurritu deitu diote ikertzaileek.

Ikertaldeak, gainera, deskubritu zuen barrualde-gainazal korrespondentzia bihurritu hori doitu egin daitekeela, eta gainazaleko egoera eroaleak berragerraraz daitezkeela. "Uhin-funtzioaren formetan oinarrituta, mekanismo-multzo bat diseinatu genuen ertzean interferentziak sartzeko, eta ertzaren egoera halabeharrez eroale perfektu bihurtzeko", azaldu du Luis Elcoro UPV/EHUko irakasleak.

Fisikarientzat beti da atsegina printzipio orokor berriak aurkitzea, baina oraingo barrualde-gainazal korrespondentziak balio praktikoa ere izan lezake, ikertzaileen arabera. "Topologia ahuleko barrualde-gainazal korrespondentzia bihurrituak gainazalaren egoera kontrolatzeko prozedura bat eskaintzen du, eta hori erabilgarria izan liteke mekanikako, elektronikako eta optikako aplikazioetan ", adierazi du Songek.

Baina ia ezinezkoa zen teoria hori frogatzea, eskala atomiko infinitesimalki txikietako ertzetan interferitu beharko litzatekeelako horretarako. Hortaz, beste kolaboratzaile batzuengana jo zuten ikertzaileek, tamaina errealeko eredu bat eraiki eta, harekin, beren ideiak probatu ahal izateko.

Scienceko bigarren artikuluan, kristal topologiko baten eskala handiko plastikozko imitazioa eraiki zuten Sebastian Huber-ek eta ETH Zurich-eko bere taldeak, zatiak 3D inprimagailu bidez sortuz. Soinu-uhinak erabili zituzten elektroien uhin-funtzioak irudikatzeko. Hesiak txertatu zituzten soinu-uhinen mugimendua oztopatzeko (alegia, gainazal eroaleak agerian uzteko kristala moztearen parekoa da hori). Hala, ertz bihurrituaren kondizioa imitatu zuten ikertzaileek, eta ondoren erakutsi zuten, hura manipulatuz, froga zezaketela libre dabilen soinu-uhin bat gainazaletik hedatzen dela.

"Abangoardiakoak izan ziren ideia bera eta hura gauzatzea", gaineratu du Huberrek. "Orain erakuts dezakegu ahulak direla gure sistema artifizialetan sortu diren ia egoera topologiko guztiak, eta ez, ordea, egonkorrak, lehenago pentsatzen zen bezala. Egindako lanak hori berresten du, baina ez hori bakarrik, printzipio orokor berri bat ere ematen du".

Informazio osagarria

Erakunde hauek finantzatu dute Princeton Unibertsitateko taldearen lana: AEBko Energia Departamentuak (DE-SC0016239 dirulaguntza), Zientzien Fundazio Nazionala (EAGER DMR 1643312 eta MRSEC DMR-142051 dirulaguntzak), Simons Investigator dirulaguntza bat (404513), Ontzigintza Ikertzeko Bulegoa (N00014-14-1-0330 dirulaguntza), David eta Lucile Packard Fundazioa, Eric & Wendy Schmidt Teknologia Eraldatzaileko Funtsa, eta John Simon Guggenheim Memorial Fundazioko Guggenheim beka bat. Luis Elcorok Eusko Jaurlaritzako finantziazioa jaso du; bestalde, Suitzako Zientziarako Fundazio Nazionalak, QSIT Ikerketako Konpetentziako Zentro Nazionalak eta Ikerketarako Europako Kontseiluak emandako laguntza (771503 dirulaguntza) eskertu du Sebastián Huberrek.

Erreferentzia bibliografikoa