Aurkikuntza handia materia kuantikoaren esparruan: geruzen biraketak materialaren propietate berriak azaleratu ditu
Nazioarteko talde batek, Donostia International Physics Centerren (DIPC) gidaritzapean, material kuantiko berritzaileak diseinatzeko modu berri bat aurkitu du, geruzak modu jakin batean pilatzean eta biratzean oinarritzen dena
Nature aldizkarian argitaratutako ikerlanak esparru berri bat ireki du hurrengo belaunaldiko material kuantikoak diseinatu eta sortu ahal izateko
Mundu mailako lankidetzan oinarritu den ikertzaile talde batek material kuantiko exotikoak diseinatzeko esparru berri bat aurkeztu du. Ikerlana, besteak beste, Donostia International Physics Center-i (DIPC) atxikitako fisikariek gidatu dute. Aurkikuntza horiek Nature aldizkarian argitaratu dira, eta inoiz ikertu gabeko moiré material mota bat eman dute ezagutzera.
Moiré izeneko interferentzia optikoko patroi ezagunek —tarte txikia duten marrei argazkiak ateratzean ikusi ohi dira— analogo bat dute eskala atomikoan: kristalezko bi sareta elkarrekiko biratzen direnean, patroi elektroniko berriak sortzen dira, eta propietate kuantikoen paisaia guztiz eraldatzen du horrek. Moiré materialak bata bestearen gainean kokatutako bi geruza atomiko mehe elkarrekiko apur bat biratzean sortzen dira, eta materia kondentsatuaren fisika modernoaren zutabe bihurtu dira. Izan ere, manipulazio geometriko sinple batek jatorrizko monogeruzek ez dituzten propietate kuantikoak ematen dizkie moiré sistema biratu horiei.
Espazio errealean, material kristalino bateko atomoen kokapen fisikoa atomo horien koordenatuek ematen dute. Kristal bakoitzak badu, halaber, elkarrekiko sareta bat momentu-espazioan, kristal horren barruko partikulen momentuen balio posibleak deskribatzen dituena. Kontua da kristal baten momentu-espazioan dauden zenbait puntu berezik (hala nola K puntuak eta M puntuak) zehazten dutela elektroiak materialen barruan nola higitzen diren eta nola elkarreragiten duten. Puntu horietako bakoitzak materialaren portaera elektrikoan edo optikoan eragina izan dezaketen propietate esklusiboak ditu.
Orain arte, material hexagonalak (grafenoa eta trantsizioko metalen dikalkogenuroak) momentu-espazioko K puntuen inguruan birarazten zentratu dira ia soilik ikerketa esperimentalak. Baina ikuspegi horrek mugatu egiten du portaera kuantikoen azterketaren irismena. Aldiz, M puntua momentu-espazioko eskualde erabat desberdina da, eta simetria-propietate eta propietate elektroniko desberdinak ditu. M puntuaren inguruko biraketak ateak irekitzen dizkie K puntutik eskuragaitzak diren fase kuantiko berriei.
“Gure arreta M puntuetan jarrita, izugarri zabaldu dugu balizko fase kuantikoen katalogoa”, dio Dumitru Călugăru-k, zeina Leverhulme-Peierls bekaduna baita Oxfordeko Unibertsitatean eta iraupen luzeko bisitaria DIPCn. “Banda minimoak —energia elektronikoaren mailarik baxuenak— M puntu horietan dituzten materialak identifikatu ditugu, eta horrek bide erabat berria ireki digu banda lauko sistema kuantikoak diseinatzeko.” Sistema horiek materiaren fase exotikoen ingeniaritzan duten potentzialagatik aztertzen dira, hala nola tenperatura altuko supereroankortasuna edo espin-likidoa.
Ikerketa-taldean, fisikari teorikoek eta konputazionalek, kimikoek eta materialen zientzialariek parte hartzen dute, eta Estatu Batuetako, Espainiako, Alemaniako, Kanadako eta Erresuma Batuko erakundeak biltzen dira. B. Andrei Bernevig-ek, Princetongo Unibertsitateko Fisika irakaslea eta DIPCko irakasle bisitaria denak, lan hori gidatzen lagundu du.
Elektroien energia baxueneko egoerak M puntuan dauden geruza bakarreko materialak sistematikoki identifikatzen hasi zen ekipoa. Emaitza gisa, etorkizun handiko bi konposatu identifikatu ziren: SnSe2 eta ZrS2. Ondoren, simulazio informatikoak baliatu ziren material horiek teorikoki birarazteko. Aurkitu zutena harrigarria izan zen: biraketak banda elektroniko bereziki lauak sortu zituen. Ezaugarri hori funtsezkoa da korrelazio elektroniko indartsuak eragiteko eta portaera kuantiko exotikoak azaleratzeko.
“M puntuen sistema horiek K puntukoek ez bezala jokatzen dute”, dio Haoyu Hu Princetongo ikerlari eta DIPCko “postdoc” ohiak. “Haien banda elektronikoen egiturak sinplea dirudien arren, simetria-mota berri bat erakusten dute, ia dimentsio bakarrekoa. Horrek fenomeno kuantiko mota berriak ahalbidetzen ditu”.
Hilabeteetan zehar, Yi Jiang eta Hanqi Pi ikertzaileek eskala handiko simulazioak egin zituzten DIPCn, eta erakutsi zuten biraketa ñimiño batek —hiru gradu ingurukoak — banden lautasuna eragiten duela, eta horrek izugarri areagotzen dituela interakzio elektronikoak eta egoera korrelazionatu ez-konbentzionalak sustatzen dituela. «Biraketak berekin ekar dezake elektroiak sare hexagonal batean edo kagome sare batean kokatzea», adierazi du Jiang-ek. «Kokapen horri esker, guk orain esperimentalki sor ditzakegu askotariko egoera kuantikoak, baita spin kuantikoko likidoak ere».
Aurrerapen teorikoak bat datoz aurrerapen esperimentalekin. Aurreikusitako material batzuk masa-forman sintetizatu dira, eta orain haiek esfoliatzen ari dira, maila atomikoko mehetasuna duten laminak sortzeko, eta, hartara, proposatutako M-biraketa egiturak eraiki ahal izateko.
“Material horiek esperimentalki egitea funtsezkoa da. Behin biratu, kontrolatu eta neurtuta, egoera kuantiko berri horiek errealitate ukigarri bihur litezke”, dio B. Andrei Bernevigek. “Badirudi bira berri bakoitzak ezustekoak dakarzkigula. Azken finean, material hauek leiho bat irekitzen diete inork aurreikusi gabeko materia-egoera kuantikoei. Eta esperimentalki hain kontrolagarriak direnez, aukerak benetan mugagabeak dira”, azpimarratu du.
Lan honek bidea irekiko die etorkizuneko aurrerapen esperimentalei, eta irauli egingo du zientzialariek azken belaunaldiko material kuantikoak diseinatu eta esploratzeko duten modua.
