Teorema kuantikoaren garapenaren hasieretatik 100 urte betetzen direla eta, UNESCOk zientzia eta teknologia kuantikoaren urtea izendatu du 2025a. Baina, zergatik da hain garrantzitsua mekanika kuantikoa? Materia eskala mikroskopikoetan ikertzen duen diziplinak, industria ugaritan garrantzia izateaz gain, guztiz eraldatu dezake gure ingurunea ulertzeko eta bizitzeko era. Izan ere, fisikaren alderdi berri honek aukera eskaintzen baitu materialen pertzepzio makroskopiko eta baldintza estandarretan oinarritzen diren teoria klasikoek aurkezten dituzten mugak gainditzeko.
Gaur egun laborategi askotan aurkitu dezakegun fisika klasikoak materialen inguruko informazio ugari eskaini digu azken 500 urteetan. Gizakiok fase-trantsizioak, eroankortasun elektriko eta termikoa, magnetismoa, erresistentzia mekanikoa eta propietate erradioaktiboak zein optikoak ikertu ditugu mendeetan zehar, gure planeta eta gu geu osatzen gaituen materia hobeto ulertu eta baliatzeko. Hala ere, XX. mendearen hasieran fisikaren mundua kolokan jarri zuen teoriaren agerpenak, hau da, mekanika kuantikoaren agerpenak, teoria klasikoek dituzten mugak azaleratu zituen, eta aukera berriak ireki materialen propietate eta portaerak ikertzeko.
Materia: fisika klasikotik mekanika kuantikora
XVI-XVII. mendeetan, gure lurraren eta unibertsoaren oinarri izan diren – edo garai hartan halakotzat jotzen ziren – printzipioak garatu zituzten Newton eta lankideek. Fisika klasikoaren bitartez, planeten errotazio-translazioa, gezi baten mugimendua, ur-fluxua edota argi-izpiaren konposizioa azaldu zezaketen. Materialen ikerketa ez zen gutxiago izan, eta hurrengo mendeetan zehar hainbat zientzialarik materialen egitura, propietate eta portaerak aurkitu zituzten teoria klasiko nagusi hauetan oinarrituta.
Horrela, XIX. mendean zehar, erradioaktibitatearen eta elektroiaren inguruko lehen aurkikuntzak egin ziren, eta XX. mendearen hasieran, Einsteinen erlatibitate bereziaren teoriaren agerpenarekin, materialen propietate elektriko eta magnetikoen inguruko funtsezko aurrerapenak egin ziren. Mende honetan, Einsteinen teoremaren garapenaz gain (erlatibitate orokorra), Bohr-en atomoaren modeloa aurkezten da eta mekanika kuantikoaren lehenengo printzipioak ezartzen dira.
Mekanika kuantikoak egitura atomikoen eta geruza elektronikoen deskribapen orokorrak hobetu zituen eta, horrela, oinarri teoriko berri bat eskaini materiaren ikerketarako. Gaur egun, ikuspegi klasikoaren mugak gaindituz, sistema atomiko eta subatomikoak ikertzeko alderdi gisa ezarri da.
Supereroankortasunaren bila
Mekanika kuantikoaren teorema garatu zenetik, aurrerapen ugari egin dira hainbat esparru teknologikotan. Guztien artean, foku mediatikoa konputagailu kuantikoek jaso dute, baina zenbait zientzialarik iragarri zuten aukera paregabea zela materialen propietateak ikertzeko eta material berriak aurkitzeko. Haien artean dugu Ion Errea, Euskal Herriko Unibertsitateko (UPV/EHU) irakaslea, Donostiako Materialen Fisika Zentroko (CFM) eta Donostia International Physics Center-eko (DIPC) ikertzailea, eta ErreaLab ikertaldearen ikerketaburua. Zientzialariak azaltzen duenez “Mekanika kuantikoan oinarritutako metodo berriak ordenagailuan programatzen ditugu, propietate bereziko materialak eta potentzialki sintetizatu ahalko diren material berriak aztertzeko”. Bere taldekideekin batera, interes teknologiko handiko materialen propietateak ikertzen ditu; besteak beste, hidrogenoan oinarritutako materialen supereroankortasuna, material ferroelektrikoen eta termoelektrikoen fase-trantsizioak, edota argi-izpien kontrola eskala nanometrikoan.
Hala ere, ikergai guztien artean, “supereroankortasuna da gure gai kuttuna”, aitortzen du fisikariak. Material hauek erresistentzia elektriko nulua duten metalak dira. Baina, “Metalak supereroale bihurtzeko zailtasun nagusia da tenperatura oso baxuak behar direla”, azaltzen du ikerlariak. Hori dela eta, metodo kuantikoak eta programazioa baliatuz, ikertaldeak tenperatura-egoera normaletan supereroale bihurtu daitezkeen materialak ikertzen ditu. Izan ere, “material hauek sekulako aplikazio teknologikoak dituzte eta elektromagnetismoaren mundua irauli dezakete”, dio Erreak. Material supereroaleak fisikako material liluragarrienetakoak dira ikerlariaren iritziz; haien bitartez, energia-gastu gabeko garraio elektrikoa garatu ahalko litzateke, adibidez.
Fisika klasikoaren mugak gainditzen
Materialak ikertzeko orduan, bereziki eskala subatomikoan, hau da, elektroi eta ioien kasuan, kontraesan handietan sartzeko arriskua du fisika klasikoak, ereduen sinpletasunagatik. “Ezin dugu ontzat eman ioiak geldi izatea oreka-egoeran, baloiak izango balira bezala; zero absolutu tenperaturan ere fluktuatzen duten partikulak dira”. Izan ere, materialen propietateak etengabeko dinamiketan eta elkarrekintzan dauden ioiek eta elektroiek definitzen dituzte. “Ioiak eta elektroiak oso partikula txikiak dira, eta, euren dinamika aztertzeko, mekanika kuantikoaren ekuazioak ebatzi behar dira”, dio ikertzaileak. Horrela, materialen propietate eta portaerak ikertzeko orduan, ikuspegi klasikoak eskaintzen dituen eredu sinpleek hainbat fenomeno makroskopikoak azaldu ditzakete, baina ez besterik.
Gainera, mekanika kuantikoak unibertsoaren zenbait fenomeno azaldu ditzake. Fisika berriak materialen inguruan egindako aurkipenak unibertsoaren ikerketetan izan dezakeen garrantziari buruz galdetzerakoan, ikertzaileak azaltzen du: “Gu adituak izan ez arren, materiaren eta unibertsoaren fenomenoen artean loturak daudela dirudi. Hala ere, grabitatea eta fisika kuantikoa uztartzea oraindik ikertzeko dago, baina ikuskapen kuantiko berriek eredu kosmologikoetan eragina izan dezaketela badirudi”.
Fitxa biografikoa:
Ion Errea Donostian jaioa da 1984ean. Fisikan lizentziatua (2007) eta doktorea (2011) UPV/EHUko Donostiako kanpusean. Doktoretza egion ondoren Pariseko Université Pierre et Marie Curie Paris eta Donostiako International Physics Center (DIPC) zentroetako ikerlaria izan da eta 2018 urtetik aurrera Quantum Theory of Materials (CSIC-UPV/EHU) ikertaldeko buru da.
Erreferentzia bibliografikoa:
Errea, Ion; Belli, Francesco; Monacelli, Lorenzo; Sanna, Antonio; Koretsune, Takashi; Tadano, Terumasa; Bianco, Raffaello; Calandra, Mateo; Arita, Ryotaro; Mauri, Francesco; Flores-Livas, José A. (2020). Quantum crystal structure in the 250-kelvin superconducting lanthanum hydride. Nature, 578, 66–69. DOI: 10.1038/s41586-020-1955-z
Iturria:
Egileaz:
Oxel Urra Elektrokimikan doktorea da, zientziaren eta artea uztartzen duten proiektuetan aditua, egun zientzia-komunikatzailea da.