Nazioarteko ikertzaile talde batek, Princeton Unibertsitateko (EEBB) kideak buru dituela eta Donostia International Physics Center-eko (DIPCko) eta Solidoen Kimika-Fisikako Max Planck Institutoko (Alemania) ikertzaile batzuen esku-hartzearekin, zenbait materialetan orain arte ezagutzen ez ziren partikula kuantiko mota berri batzuk existitzen direla iragarri du.

Partikula berri hauen propietate elektronikoak, kristal arruntetan dauden beste partikula batzuk ez bezala, kristalaren barruko simetriak babesturik daude, eta elektrizitatearen garraioari dagokionez ezaugarri exotiko eta interesgarriak izatea espero da. Lanak, aste honetan bertan Science aldizkari entzutetsuan argitaratua, bide berri bat irekitzen du "material topologiko" bezala ezagutzen diren materialen fisikaren ikerketan. Material hauek, azaltzen dituzten propietate elektronikoa bereziak direla eta, azkenaldian gorabidean daude eta aurkitu zirenetik urte gutxitan materiaren egoerak ulertzeko dugun ikuspegia aldatu dute.

Topologia, deformazio leun baten aurrean gorputz geometrikoen zein propietate ez diren aldatzen aztertzen duen matematikaren adarra da. Analogia horri jarraituz, material topologikoak dira haien propietateak material beraren egiturak edo kristalaren simetriak definiturik edo "babesturik" dituztenak. Hara nola, materiaren egitura aldatzen ez den bitartean aldatu ezin diren propietateak dituztenak. Lan honetan zientzialariek azaltzen dute, iragarritako partikula berri hauek agertzen diren materialak kasu askotan topologikoki babesturiko metalak direla. Hau da, konduktibitate elektriko sendoa duten metalak dira, nekez bihurtzen direnak isolatzaile.

Aurreikusi dituzten partikulak, elektroiak bezalaxe, fermio izeneko partikula multzokoak dira, espin edo biraketa momentu propio ez osoa duten partikulaz osatutako multzoa. Orain gutxi arte, naturan ager zitezkeen fermio mota posible guztiak ezagutzen zirela uste zen. Horien artean, tarterik gabeko hiru fermio ezberdinak, hots, beteta eta libre dauden egoeren artean energia tarterik ez dituzten eta ondorioz korrontea garraiatu dezaketen partikula kuantiko exotikoak batzuk. Materia kondentsatuaren fisikak fermio mota guzti hauek behatzea ahalbidetu du kristal arruntetan egindako esperimentuen bidez, partikula-azeleragailu handi eta energia altuen beharrik gabe. Orain berriz, fermioi ezagunen zerrenda horretara beste zenbait partikula gehitu beharko ditugula dirudi.

Maia G. Vergnioryk, DIPCko Fellow Gipuzkoa ikertzaileak azaldu duenez argitaratu berri duten lan honen garrantzia ez da soilik ezezagunak ziren partikula kuantiko berri batzuk iragarri dituztela. Hori istorioaren parte bat besterik ez da. Horrez gain, naturan metalak izango diren materialak aurresan eta aurkitzeko metodo sistematiko eta erraz bat garatu dute. Eman daitezkeen konbinazio posibleak infinitu dira, eta ezinezkoa da banan bana material guzti horiek eraiki eta laborategi batean aztertzea. Orain arte aukera bakarra, egitura elektroniko zehatzaren kalkulu teoriko konplexuak egitea zen. Vergniory doktorearen hitzetan "Kristalean dauden elektroiak kontatu ditzakegu, eta haren egitura eta simetrian oinarriturik, ondorioztatu ea hauetako fermio bat aurkituko dugun, eta babesturiko metal baten aurrean gauden edo ez". Kristalaren simetria da hain zuzen ere gakoa partikula kuantiko hauek ulertzeko.

Simetria, topologia, eta materialen zientziaren arteko elkarrekintzak, iragarpen honek erakutsi duen bezalaxe, seguruenik paper garrantzitsua jokatuko duela datozen urteetan material topologikoen ezagutzan. Ikertzaileek imajinatzen dute kimika-fisika kuantikoaren etorkizun bat non material baten formula kimikotik abiatuz, kristalaren simetria begiratuz eta bertako elementuen elektroi kopurua kontatuz soilik, jakin ahal izango den materiala isolatzaile topologiko bat edo babestutako metal bat den. Material topologikoen arloa, materialen fisikaren alorrean, puri-purian dagoen eta etorkizun handienetakoa duen arloa da, eta bertatik aurrerabide kontzeptual eta tekniko asko espero dira. 

Maia G. Vergniory ikertzailea egun DIPCko Fellow Gipuzkoa da, bertara iritsi zen 2013an  doktorego ondorengo egonaldiak egin ostean, lehenik Estatu Batuetako Berkeley Unibertsitatean eta ondoren Alemaniako Halle Unibertsitatean. Fellow Gipuzkoa programa Gipuzkoako Foru Aldundiak babestutako programa bat da, talentu zientifiko gaztea berreskuratu eta lurraldean txertatzen duena.

Erreferentzia bibliografikoa

Beyond Dirac and Weyl fermions: Unconventional quasiparticles in conventional crystals. Barry Bradlyn, Jennifer Cano, Zhijun Wang, Maia Vergniory, Claudia Felser, Robert Cava, and B. Andrei Bernevig, Science 2016 (publicado online el 21 de julio). DOI: 10.1126/science.aaf5037

Irudia: DIPC