Nazioarteko talde batek, Donostia International Physics Centerren (DIPC) gidaritzapean, material kuantiko berritzaileak diseinatzeko modu berri bat aurkitu du, materiaren geruzak modu jakin batean pilatzean eta biratzean oinarritzen dena. Geruzak biratzeak materialaren propietate berriak azaleratu ditu, eta aurkikuntza horiek Nature aldizkarian argitaratu dituzte.
Maia Garcia-Vergniory DIPCko ikertzaile, Kanadako Sherbrooke Unibertsitateko irakasle eta materia topologikoetan adituak azaldu duenez, Washingtonen egin zituzten esperimentu batzuetan oinarritu ziren proiektua aurrera eramateko: «Ikusi zuten guk erabiltzen ditugun bi geruzak biratzen direnean material espezifiko batean elektroien karga zatitzen zela. Benetan ez da zatitzen, baina zatitzen den irudia ematen du, eta beste jokaera bat agertzen du; zatituta balego bezala, alegia».
Ikerketaren bitartez, inoiz ikertu gabeko moire egitura bat eman dute ezagutzera. Matematikan, fisikan, optikan eta arte grafikoetan, moire efektua zera da, interferentzia optikoko patroi bat, zeina tarte txikia duten marrei argazkiak ateratzean ikusten den. Kristalezko bi lerro-sareta gainjartzen direnean eratzen da, zuzenak edo kurbatuak izan. Bi sareta horiek elkarrekiko biratzen direnean patroi elektroniko berriak sortzen dira, eta propietate kuantikoen paisaia guztiz eraldatzen du horrek. Giza begiak banda ilun eta argi horizontal batzuen ilusioa sortzen du, eta horiei marra finak gainjartzen zaizkie.
Hexagonoan barna
Egitura horiek material kristalinoetan ikus daitezke. Kristal bakoitzak badu, halaber, elkarrekiko sareta bat 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 horiek nola eragiten dioten elkarri. Ikerlariak horrela azaldu du: «Material horiek badute egitura kristalino bat, hexagonala dena, eta hexagonoek simetria puntu desberdinak dauzkate. Bata K puntua da, eta bestea M puntua. M erpin batean dago, eta K, hexagonoaren alde baten erdian. Geruzaren puntu simetriko desberdinak dira». Puntu horietako bakoitzak propietate esklusiboak ditu, eta materialaren portaera elektrikoan edo optikoan eragina izan dezakete.
Ikerketa esperimentaletan, orain arte, material hexagonalak (grafenoa, adibidez) momentu-espazioko K puntuen inguruan birarazten zentratu dira ia soilik. Baina horrela jokatzeak mugatu egiten du portaera kuantikoen azterketa. Aldiz, M puntua momentu-espazioko eremu 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, Garcia-Vergnioryren arabera: «Orain arte K puntuan egiten ziren biraketak, eta zera aurkitu dugu: M puntuan biratzen badugu fisika berria ateratzen dela».
Arreta M puntuetan jarrita, balizko fase kuantikoen katalogoa zabaltzeko aukera izan dute ikerlariek, aurretik ezezaguna zena sakon aztertzeko orain. M puntu horietan dituzten materialak identifikatu dituzte, eta horrek bide erabat berria ireki du sistema kuantikoak diseinatzeko. Ikerlariak azaldu du ikerketa garatzeko orduan adimen artifizialaren laguntza izan dutela, kalkuluak azkarrago egiteko batez ere: «Geruzak biratzen ditugunean, atomo asko hartu behar ditugu aintzat, eta orduan konputazioa garestiagoa da; horregatik adimen artifiziala erabili behar izan dugu».
Behin M puntuan zentratuta, elektroien energia baxueneko egoerak M puntuan dauden geruza bakarreko materialak sistematikoki identifikatzen hasi zen ekipoa. Emaitza gisa, bi konposatu identifikatu zituzten: SnSe2 eta ZrS2. Ondoren, simulazio informatikoak baliatu zituzten material horiek teorikoki birarazteko eta aztertzeko; haien portaera identifikatu nahi zuten ikerlariek.
Aurkitu zutena harrigarria izan zen: puntu horren 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 dutela ikusi zuten; hasieran egiturak sinplea dirudien arren, simetria-mota berri bat erakusten dute, ia dimentsio bakarrekoak. Zientzialarien arabera, horrek fenomeno kuantiko mota berriak ahalbidetzen ditu.
Teoria aintzat hartuta, 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 interakzio elektronikoak areagotzen dituela. Horri esker, orain esperimentalki sor ditzakete askotariko egoera kuantikoak. Baina, esperimentaziotik abiatuta, lan handia dago egiteko oraindik, Garcia-Vergnioryren esanetan: «Zailena izan da ereduak garatzea eta ulertzea M puntuan biraketa propietate bereziak zituela. Gero makineria konputazionala garatzea ez da erraza, eta lan handia dago hor atzean».
Aurrerapen teorikoak bat datoz aurrerapen esperimentalekin. Aurreikusitako material batzuk forman sintetizatu dira, eta orain haiek esfoliatzen ari dira, maila atomikoko mehetasuna duten laminak sortzeko, eta, hartara, proposatutako M-biraketa egiturak eraiki ahal izateko. Lan horrek bidea irekiko die etorkizuneko aurrerapen esperimentalei, eta irauli egingo du zientzialariek material kuantikoak diseinatu eta esploratzeko duten modua. «Fenomenoak oso berriak dira, fisika hau oso berria da. Fisikako material pila bat aurkitu ditugu, eta, biraketa beste puntu batean egiten denez, propietate fisikoak garbiagoak dira», argudiatu du ikerlariak. Etorkizunerako aplikazio «garrantzitsuak» egon daitezkeela ere aipatu du, batez ere alor topologikoan: «Baina uste dut oraindik oinarrizko ikerketa asko behar ditugula. Gainera, materia kuantikoa diseinatzeko metodo bat da».
Nazioarteko ikerlana
Fisikari teorikoek, konputazionalek, kimikoek eta materialen zientzialariek parte hartu dute ikerketa taldean, eta, besteak beste, Ameriketako Estatu Batuetako, Alemaniako, Kanadako eta Erresuma Batuko erakundeak bildu dira. B. Andrei Bernevigek, Princetongo Unibertsitateko Fisika irakaslea eta DIPCko irakasle bisitaria denak, lan hori gidatzen lagundu du. Ikertzen jarraitzea izango da hurrengo pausoa.
Nazioarteko taldea osatzea «ezinbestekoa» izan dela aipatu du ikerlariak: «Zientzia unibertsala delako eta nazioarteko elkarrekintzak zaindu behar ditugulako. Zientzia garatzeko, garrantzitsua da ikerlari gazteak Euskal Herrian geratzea. Oinarrizko zientzia bermatu behar da beti».
