Efektu kuantikoek munduko supereoale kiratsenean eragiten dute

UPV/EHUko eta DIPCko ikerketa batek ondorioztatu du efektu kuantikoak direla hidrogeno sulfuroa errekor-tenperaturetan supereroale izatearen arrazoia

  • Ikerketa

Lehenengo argitaratze data: 2016/04/07

UPV/EHU eta DIPC, eta Parisko Sorbona Unibertsitatea eta Romako La Sapienza Unibertsitatearen gidaritzapean egindako nazioarteko lankidetzazko ikerketa baten emaitzen arabera, hidrogenoaren portaera kuantikoak badu eragina hidrogeno sulfuroaren egitura mikroskopikoan (hidrogeno sulfuroa, muturreko presioen eraginpean, supereroalea da inoiz detektatu den tenperaturarik altuenean). Ikerketaren emaitzak Nature aldizkari entzutetsuan argitaratu dira gaur. Ikerketa honi esker, asko aurreratu da giro-tenperaturako supereroaleak (oso preziatuak baina oraindik lortu ez direnak) bilatzeko prozesuan.

UPV/EHUko eta Donostia International Physics Centerreko (DIPC) ikertzaile Ion Errea buru duen nazioarteko ikerketa baten emaitza teorikoek —Nature aldizkari ezagunean argitaratu dira berriki— iradokitzen dute hidrogenoaren izaera kuantikoak (alegia, partikula edo uhin gisa portatzeko aukerak) eragin handia duela hidrogenotan aberats diren konposatuen propietateetan. Uste da hidrogenotan aberatsak diren konposatuak giro-tenperaturako supereroale izan daitezkeela. Hain zuzen ere, hori da hidrogeno sulfuro supereroalearen kasua: arrautza ustelaren usaina darion konposatu hori presio atmosferikoa baino milioi bat aldiz presio handiagoan jartzen bada, supereroale gisa jokatzen du inoiz identifikatu den tenperaturarik altuenean. Tenperatura altuko supereroankortasunaren fisika ulertzeko bidean ikerketa horrek eragin duen aurrerapenak asko lagundu lezake giro-tenperaturako supereroaleak bilatzeko. Giro-tenperaturako supereroaleek hainbat aplikazio izan litzakete, besteak beste, lebitazio-trenak edo belaunaldi berriko superordenagailuak.

Supereroaleek korronte elektrikoa eroaten dute batere erresistentzia elektrikorik gabe. Supereroale konbentzionalak edo tenperatura baxukoak supereroale gisa jokatzen dute substantzia zero absolutuaren inguruko tenperaturetara hozten denean (hots, –273 °C edo 0 kelvin). Hala ere, iaz, hidrogeno sulfuroak tenperatura altuan propietate supereroaleak dituela identifikatu zuten Alemaniako ikertzaile batzuek; hidrogeno sulfuroa supereroalea da sekula hauteman den tenperarurarik altuenean: –70 °C edo 203 K.

Atomoen arteko loturen egitura aldatzen da

Fisika klasiko edo newtondarraren arabera, higitzen ari den objektu baten posizioa eta momentua neur daitezke aldi berean, eta, hala, kalkula daiteke objektua nora doan eta zenbat denbora beharko duen helmugara iristeko. Bi propietate horiek lotuta daude. Fisika kuantikoaren mundu bitxian, ordea, Heisenbergen ziurgabetasun-printzipioaren arabera, ezinezkoa da partikula baten bi magnitude fisiko behagarri eta elkarren osagarri aldi berean zehaztasunez jakitea.

Hidrogenoa taula periodikoko elementurik arinena da, eta, horrenbestez, portaera kuantiko handia duen atomoa da. Haren izaera kuantikoak eragin handia du hainbat hidrogeno-konposaturen egitura-propietateetan eta propietate fisikoetan. Aipa dezagun, adibide gisa, presio altuko izotza: protoiaren fluktuazio kuantikoek aldaketa bat eragiten dute molekulak elkarrekiko lotzeko moduan, atomoen arteko lotura kimikoak simetriko izatera iristen baitira. Azterketa honetan parte hartu duten ikertzaileek uste dute hidrogeno sulfuro supereroalean horren pareko simetrizazio kuantikoa gertatzen zaiela hidrogeno-loturei.

Kalkuluak formulatzeko, ikertzailek jo dute hidrogeno-atomoak uhin portaera duten partikula kuantikoak direla, eta ondorioztatu dute atomo horiek lotura simetrikoak osatzen dituztela Alemaniako ikertzaileek esperimentuetan erabilitako oso antzeko presio batean. Hala, errekor-tenperaturako supereroankortasuna aurreko lanetan baino zehaztasun handiagoz azaldu dute; izan ere aurretik egindako kalkuluek partikula klasikotzat jo zituzten hidrogeno-atomoak eta ezin izan zuten behatutakoa azaldu. Horrek guztiak agerian uzten du hidrogeno sulfuruaren tenperatura altuko supereroankortasunaren atzean portaera kuantikoa dugula.

Ikertzaileak pozik daude ikerketa honetan lortutako emaitza onek agerian uzten baitute iragarpen kuantitatiboak eta konputazioa konfiantza osoz erabil daitezkeela tenperatura altuko supereroaleak azkarrago aurkitu ahal izateko. Egindako kalkuluen arabera, hidrogeno-loturen simetrizazio kuantikoak eragin handia du hidrogeno sulfuroaren bibrazio-propietateetan eta propietate supereroaleetan. "Supereroale bihurtzen den tenperatura teorikoki erreproduzitu ahal izateko, funtsezkoa da simetrizazio kuantikoa kontuan izatea", azaldu du Ion Erreak, azterketako ikertzaile nagusiak.

Ikerketa teoriko honek erakusten du hidrogenotan aberats diren konposatuetan hidrogenoaren higidura kuantikoak eragin handia izan dezakeela egituran (lotura kimikoa ere eralda dezakeela), bai eta supereroankortasun-trantsizioa eragiten duen elektroi-fonoi elkarrekintzan ere.

Ikertzaileen iritziz, teoriak eta konputazioak oso paper garrantzitsua izan dute muturreko presiopeko hidruro supereroalearen aurkikuntzan. Eta nabarmendu dute, halaber, etorkizunean, giro-tenperaturako supereroankortasuna lortu arte tenperatura igotzen saiatzea dela bidea, aldi berean horretarako behar diren presioak jaitsiz.

Informazio osagarria

Nazioarteko ikerketa erakunde hauetako ikertzaileen lankidetzaz gauzatu da: UPV/EHU eta Donostia International Physics Center (DIPC), UPMC Université Paris 06 (Sorbona), Cambridgeko Unibertsitatea (Cavendish Laboratory), Jiangsu Normal University, Carnegie Institution (Washington), Jilingo Unibertsitatea eta Erromako ‘La Sapienza' Unibertsitatea.

Ikerketzaile nagusia Ion Errea da (Donostia, 1984), Fisikan doktorea. Gaur egun, DIPCko ikertzailea eta UPV/EHUko Fisika Aplikatua Saileko irakaslea da Errea.

Erreferentzia bibliografikoa

I. Errea, M. Calandra, C. J. Pickard, J. R. Nelson, R. J. Needs, Y. Li, H. Liu, Y. Zhang, Y. Ma, eta F. Mauri. "Quantum hydrogen-bond symmetrization in the superconducting hydrogen sulfide system". Nature (2016). DOI: 10.1038/nature17175.

 

Argazkiak: UPV/EHU.