Material topologikoen katalogoa hamar aldiz handitu dute
Urko Petralanda irakasleak eta Luis Elcoro katedradunak, EHUkoak biak, material bidimentsionalen eta haien propietate elektroniko eta topologikoen katalogo bat garatu duen nazioarteko lankidetza baten parte dira. Science aldizkarian argitaratu den lan horretan, lodiera atomikoko 9.000 material inguru aztertu dira, eta ezaugarri topologikoak dituzten 4.000 baino gehiago identifikatu dira. Lortutako emaitzei esker, aztertu nahi diren fenomeno fisikoen eta proposatzen diren galderen arabera hautatu ahal izango dira materialak.
Imajina dezagun milimetro bat baino milioi bat aldiz meheagoa den material bat, barrualdetik elektrizitaterik eroaten ez duena baina elektrizitatea bere ertzetan zehar erresistentziarik gabe ibil dadin uzten duena. Zati txikiagoetan ebakitzen bada, gauza bera gertatzen da: zati berri bakoitzak barrualde isolatzailea eta ertz erabat eroaleak ditu. Aparteko jokabide hori da bi dimentsioko isolatzaile topologikoen ezaugarri bereizgarria, eta etorkizuneko elektronikarako eta teknologia kuantikoetarako bereziki interesgarri bihurtzen ditu materialok.
Kimika kuantiko topologikoak (TQC, ingelesezko sigletan) erabat eraldatu zuen isolatzaile topologikoen eta propietate topologikoak dituzten beste material batzuen bilaketa konputazionala; horri esker, milaka materialen topologia karakterizatu ahal izan da ordutik. Teoria horrek izandako arrakasta handia gorabehera, TQC modu zorrotzean aplikatzea eragozten dute etorkizuneko elektronikaren oinarrizko osagai diren material bidimentsionaletan (2D) presente dauden simetria desberdinek.
Orain, hutsune hori bete du nazioarteko lankidetza baten emaitza den eta Science aldizkarian argitaratu den artikulu batek: “Two-dimensional topological quantum chemistry and catalog of topological materials”. Urko Petralanda EHUko Matematika Aplikatua Saileko irakasle atxikiak eta DIPCko Yi Jiangek partekatzen dute azterlanaren egiletza nagusia. Lanean, aipatutako teoriaren egokitzapena egiten da edozein material monogeruza edo multigeruzaren topologia esploratu ahal izateko, bai eta materialen datu-base konputazionaletatik datozen 9.000 sarrera bidimentsional ingururen egitura elektronikoaren eta topologiaren analisi sakon bat ere.
Ikertzaileek bi datu-basetako 8.872 sarrera aztertu zituzten, eta 4.073 identifikatu zituzten material topologiko gisa edo muga atomiko buxatuko material gisa (oso egoera zehatz batzuetan material topologikoen antzeko ezaugarriak dituztenak). “Harrigarria da materialen ia erdiak topologikoak edo buxatuak izatea”, dio Petralandak.
Fenomeno kuantikoak ikertzeko plataforma
2D materialetarako egin den TQCren egokitzapen berriak dimentsio berri bat ematen dio marko teorikoari, eta oraindik esploratzeko dauden material kuantikoen panorama zabal bat irekitzen du. “Gure lanean, 2D material topologikoen edo muga atomiko buxatua duten materialen katalogoa magnitude-ordena batean handitu dugu, gutxi gorabehera. Hori funtsezkoa da, 2D materialak konbinatu daitezkeelako —haietako asko pilatu ditzakegu, eta leku txikia hartzen dute—; horren ondorioz, egungo eta etorkizuneko elektronikaren funtsezko oinarria dira eta izango dira”, azaldu du EHUko ikertzaileak.
Europako, Ipar Amerikako eta Txinako erakunde ugarik parte hartzen duten diziplina anitzeko talde batek egindako lan paralelo batean —“2D theoretically twistable material database” du izenburua eta egun berean argitaratu zen Science aldizkarian—, lehen azterlaneko zenbait material identifikatzen dira, beren ezaugarriengatik osagai itxaropentsuak direnak propietate exotikoko geruza bikoitz bihurrituak sortzeko, “angelu magikoko” grafenoan behatu direnen antzekoak (zeinak ustekabeko ezaugarri isolatzaile eta supereroaleak baititu). “Material bihurrituen familia berri bakoitzak materia kuantikoari buruzko galdera desberdin bat egiteko aukera ematen digu. Harago joan nahi dugu, eta geruza eta bihurdura-angelu desberdinak erabiliz sor litezkeen fenomeno fisikoen aukera zabala aztertu”, dio lanaren koordinatzaile B. Andrei Bernevigek, Princetongo Unibertsitateko irakasle eta DIPCko Ikerbasque irakasle bisitaria denak.
Lehen azterlanean, kimika kuantiko topologikoa material bidimentsional ez-magnetikoetara hedatzen da. Marko horrek materialaren konposizio kimikoa eta simetria kristalinoak haren egoera elektronikoen topologiarekin lotzen ditu. Zenbait patroi elektronikok sendotasun nabarmena dute. Egoera sendo horiek fenomeno kuantikoak ikertzeko oinarria eskaintzen dute, eta, ondorioz, gailu elektroniko berrietarako proposamenen inspirazio-iturri izan dira.
“Kristal baten simetriak arauak ematen dizkigu haren egoera elektronikoak nola antola daitezkeen jakiteko. Arau horiek geruzetarako garatu ditugu, eta ikerketa-komunitateak milaka materialetan aplika ditzakeen tresna bihurtu ditugu”, azaldu du Luis Elcoro EHUko Fisika Saileko katedradunak.
Kalkuluak egiten ari zirela, taula kristalografikoak, analisi-programak eta 2D Material Topologikoen Datu Basea ere garatu zituzten, non esperimentalki lortutako egiturak eta kalkuluen bidez lortutako hautagaiak bereizi baitzituzten. “Garatutako taula eta tresna guztiak Bilbao Crystallographic Server zerbitzarian (cryst.ehu.eus) inplementatu dira; zerbitzariko sarbidea librea eta doakoa da, eta edozein ikertzailek errepikatu ditzake lortutako emaitzak eta are beste 2D material batzuen propietate topologikoak aztertu ere”, gaineratu du Elcorok.
Ikertzaileek isolatzaile topologikoen eta topologia buxatua duten materialen hainbat adibide hautatu zituzten, eta eskala handiko simulazioak egin zituzten esperimentalki errealistak diren zinten ertz-egoerak aztertzeko.
Eraikuntza-blokeak materia kuantiko bihurtzen
Datu-base partekatua Nicolas Regnaultek sortu du, zeina lanaren egilekide eta Princetongo Unibertsitateko ikertzailea baita, eta aukera ematen du geruza indibidualak alderatzeko eta aztertu nahi diren fenomeno fisikoen arabera hautagaiak aukeratzeko. Emaitzak komunitatearen eskura jartze aldera, material bidimentsionalen datu-base bat sortu da, monogeruzetarako kalkulatutako propietate guztiak biltzen dituena. “Legoko piezak bezala, monogeruzak pilatu eta bihurritu egin daitezke, eta, hala, fenomeno kuantikoak aztertzeko plataforma erabat berriak sor daitezke. Gure katalogoak gorabidean den ikerketa-lerro horren oinarriak ezartzen ditu”, diote ikertzaileek.
Iturria:
EHU prentsa bulegoa: “Lodiera atomikoa duten milaka materialen egitura elektronikoaren analisiak simulagailu kuantikoak diseinatzeko bide berriak zabaldu ditu“.
Erreferentzia bibliografikoak:
Two-dimensional topological quantum chemistry and catalog of topological materials. Science, 393, 6818. DOI: 10.1126/science.adu2107
2D theoretically twistable material database. Science, 393, 6818. DOI: 10.1126/science.adu1550