Fluktuazio kuantikoek sostengatzen dute markak hautsi dituen supereroalea

  • Ikerketa

Lehenengo argitaratze data: 2020/02/06

Ion Errea (aurrean), Raffaello Bianco eta Francesco Belli. Argazkia: UPV/EHU

Kalkulu teorikoek frogatu berri dute fluktuazio atomiko kuantikoek egonkortzen dutela marka guztiak hautsi dituen supereroalea. Nature aldizkari entzutetsuan gaur argitaratu den lana Euskal Herriko Unibertsitateko Gipuzkoako Ingeniaritza Eskolako irakasle eta Materialen Fisika Zentroko (CFM) zein Donostia International Physics Center-eko (DIPC) ikerlari den Ion Erreak zuzendu du Erromako La Sapienza Unibertsitateko José A. Flores-Livasekin batera. Ikerketa hau Espainiako, Italiako, Frantziako, Alemaniako eta Japoniako ikertzailez osatutako nazioarteko talde zabal baten elkarlanaren fruitu da. Emaitza honek iradokitzen du posible izan daitekeela supereroankortasuna giro-tenperaturatik hurbil lortzea hidrogenotan aberats diren konposatuetan orain arte uste baino presio baxuagoetan, baldintza normaletan supereroaleak diren materialak lortzeko aukera gerturatuz.

Fisikako amets handienetako bat da giro-tenperaturako supereroankortasuna lortzea. Aurkikuntza horrek iraultza teknologikoa eragingo luke, galerarik gabeko garraio elektrikoa eta motor edo sorgailu elektriko ultraeraginkorrak ekarriko bailituzke, baita hozten ez diren eremu magnetiko itzelak sortzeko aukera ere. Duela gutxi aurkitu da supereroankortasuna hidrogeno sulfuroan, -73ºC-etan, eta LaH10-an, -23ºC-etan. Emaitza hauek argi erakutsi dute hidrogenotan aberats diren konposatuak tenperatura altuko supereroale izan daitezkeela. Aurkikuntza hauek ordea presio handian burutu dira: supereroankortasuna soilik 100 gigapascaletik gora lortu da, hau da, presio atmosferikoa baino milioi bat aldiz presio handiagoan.

LaH10 konposatuan lortutako -23ºC-ko tenperatura (etxeetako izozkailuek erabili ohi duten tenperatura) izan da supereroankortasuna sekula aurkitu den tenperatura beroena. LaH10-an —lantanoz eta hidrogenoz osatutako superhidruro bat— tenperatura altuko supereroankortasuna aurkitzeko aukera 2017an aurresan zen teorikoki. Kalkulu horiek iradoki zuten simetria handiko LaH10 konposatua (Fm-3m talde espaziala) sor zitekeela 230 gigapascaletik gora, non hidrogeno-kaiola batek inguratzen baititu lantano-atomoak (ikusi irudia). Kalkulatu zen egitura hori deformatu egingo zela presio baxuagoetan, eta simetria handiko egitura hautsi. Nolanahi ere, 2019an egindako esperimentuetan, simetria handiko konposatua sintetizatzea lortu zen askoz ere presio txikiagoetan, 130 eta 220 gigapascal bitartean, eta supereroankortasuna neurtu zen -23ºC inguruan, presio-tarte horretan. Teorikoki aurresandako presioen eta emaitza esperimentalen arteko kontraesana zela eta, markak hautsi dituen supereroalearen kristal-egitura eta, ondorioz, haren supereroankortasuna argitu gabe zeuden oraindik.

Orain, Nature aldizkarian argitaratutako emaitza berriei esker, badakigu fluktuazio atomiko kuantikoek “itsatsi” egiten dutela LaH10-aren egitura simetrikoa supereroankortasuna hauteman den presio-tarte osoan. Xeheago esanda, kalkuluek erakutsi dutenez, baldin eta atomoak partikula klasiko gisa tratatzen badira, hau da, espazioko puntu bakun gisa, egituraren distortsio ugariek sistemaren energia txikitzen dute. Horrek esan nahi du energia-paisaia klasikoa oso konplexua dela, minimo ugari dituela (ikusi irudia). Konparazio baterako, koltxoi baten gainean jende asko zutik egoteak eragiten duen deformazioaren parekoa da. Aitzitik, baldin eta atomoak objektu kuantiko gisa tratatzen badira, alegia, uhin-funtzio deslokalizatu batez deskribatzen badira, energia-paisaia oso bestelakoa da: minimo bakarra ageri da (ikusi irudia), simetria handiko Fm-3m egiturari dagokiona. Nolabait ere, efektu kuantikoek koltxoiko jende guztia kentzen dute pertsona bat izan ezik, zeinak puntu bakar batean deformatzen baitu koltxoia.

Bestalde, energia-paisaia kuantikoa erabiliz kalkulatzen den tenperatura kritikoa bat dator ebidentzia esperimentalekin. Horrek areago berresten du simetria handiko Fm-3m egitura dela markak hautsi dituen supereroankortasunaren eragilea.

LaH10eko Fm-3m faseko egitura kristalinoa, non hidrogenozko kaiola oso simetriko batek lantanoaren atomoak biltzen dituen. Goikaldean, paisaia energetiko klasiko konplexuaren moldaketa bat ikus daiteke, non minimo asko dauden. Bestalde, behealdean, energia kuantikoko paisaiaren moldaketa bat ikusten dugu, erabat eraberritua eta askoz sinpleagoa, non minimo batek bakarrik irauten duen bizirik.

Ion Errea, europako apustu irabazlea

Ion Errea (1984, Donostia) Euskal Herriko Unibertsitateko Gipuzkoako Ingeniaritza Eskolako irakaslea da Euskal Herriko Unibertsitatean (UPV/EHU) eta Materialen Fisika Zentroko (CFM, CSIC-UPV/EHU) Quantum Theory of Materials ikerketa-taldearen arduraduna da. Ikerlari donostiar gaztea SuperH proiektuaren buru da, zeinak 1,5 miloi euroko finantziazioa lortu zuen Europako Ikerketa Kontseilutik (European Reseach Council, ERC). Proiektuaren helburua tenperatura altuko supereroaleak diren hidogeno-konposatu berriak aurkitu eta karakterizatzea da. Lan honen ondorioek argi erakusten dute efektu kuantikoak ezinbestekoak direla bilaketa horretan.

Erreak eta José A. Flores-Livasen (Erromako La Sapienza Unibertsitatea, Italia) ikerketa-taldeak izan dira gidari lan honetan. Hemengo ikertzaileak ere jardun dira lankidetzan: Mikroegituren Fisikako Max Planck Institutua (Halle, Alemania), Tohokuko Unibertsitatea (Sendai, Japonia), Materialen Zientziako Institutu Nazionala (Tsukuba, Japonia), Sorbona Unibertsitatea (Paris, Frantzia) eta Tokioko Unibertsitatea (Tokio, Japonia).