Kikara eta donut arrunt miragarriak

Sorpresa batek astindu du zientziaren mundua, eta epizentroetako bat Euskal Herrian dago. Duela hamar urte pasatxo aurkitu zuten lehen material topologikoa, eta itxaropenak piztu zituen haren propietate bereziak. Zientzialariek orduan pentsatu zuten oso material arraroak zirela. Baina bi ikertzaile euskaldun protagonista izan dituen nazioarteko talde batek materialon katalogo bat antolatu du sarean, eta tresna bat eratu du material batek halako ezaugarriak ote dituen jakiteko. Emaitza: ez berezi eta ez arraro, baizik eta arrunt eta normal samar. Materialen %27 inguruk dituzte propietate topologikoak, aurkitu dutenez. Hori jakinda, etorkizuneko elektronikarako material miresgarria aurkitzeko aukera inoiz baino handiagoa da.

Maia Garcia Vergniory (Getxo, Bizkaia, 1978) fisikaria da, eta Bostonen (AEB) ibili da aste honetan, egindako lana azaltzen, American Physical Societyk antolaturiko konferentzian. Izan ere, Nature aldizkariak azken alearen azala eskaini dio Garcia Vergniory eta lankideen katalogoari. EHUn lizentziatu zen fisikaria, eta Donostia International Physics Centerren egin zuen doktoretza, baita Berkeleyn (AEB) eta Alemaniako Max Planck Institutuan ere. «Oso lan astuna eta luzea izan da», esan du. Urte bat baino gehiago pasatu du ikertzaileak material guztien konputazioa antolatzen, zuzentzen eta kalkuluak sailkatzen. Ikertzailea kanpora atera da tarte horretan konferentzietara-eta, baina beti joan da ordenagailuarekin: «Beti nabil kalkuluak begiratzen». Lehen hilabeteetan kalkulu horiek egiteko programa guztiak idatzi zituen Garcia Vergnioryk. «Orain arte uste zuten materialetan propietate topologikoak topatzea oso gauza arraroa eta berezia zela, eta guk aurkitu dugu ez dela ez bata eta ez bestea, eta badirudiela materiaren berezko propietatea dela».

Etorkizuneko materialak

Topologia matematikaren adar bat da. Objektu bat deformatzen denean mantentzen dituen propietateak aztertzen ditu. Gogora etortzen da berehala Moebiusen banda ezaguna: alde eta ertz bakarreko gainazal bat da. Baita txiste zaharra ere: topologo batek ez du bereizten erroskilla bat eta kikara bat. Izan ere, topologiari ez zaizkio axola luzerak eta angeluak, eta erroskilla bat arazorik gabe deforma daiteke geometrikoki kikara bat egiteko, biek zulo bat eta bakarra dutelako.

«Elektroien uhin funtzioak deskribatzerakoan gauza bera gertatzen da», esan du Luis Elkoro EHUko Zientzia eta Teknologia fakultateko fisika irakasleak. Katalogoaren sortzaileetako bat da. Elektroien ibilbideak hiru dimentsiotan irudikatzen direnean, zenbait kasutan, erroskillan eta katiluan bezala, arazorik gabe deforma daitezke, forma batetik bestera pasatzeko, muinean topologikoki berdinak direlako. «Abstraktu samarra da kontua», onartu du Elkorok.

Ondo edo erdipurdi ulertu, garrantzitsuena zera da: material topologikoek oso propietate interesgarriak dituztela. Esaterako, elektrizitatea ia erresistentziarik gabe garraia dezakete azalean, barruan isolatzaile diren bitartean. «Zenbait tresna egiteko sekulako abantaila izan daiteke hori, korrontea bakarrik kanpotik badoa, askoz errazagoa baita manipulatzea, eta askoz hobeto kodifika daiteke», esan du Elkorok.

Promesa handia da: material topologikoak izango dira etorkizuneko teknologiaren oinarria, askoren arabera. Materialon propietate berezi horrek ahalbidetuko du potentzia txikiko gailuak egitea, bidea emango dio spintronika deiturikoari, eta, hainbaten arabera, konputazio kuantikoari.

Garcia Vergnioryk ez du, ordea, euforia olatu horretan surf egin nahi. Materialik egokiena topatzen denean, «ingeniaritza lan handia egin beharko da gero, material ez toxikoa izan beharko da, merkea...». Edonola ere, material topologikoak iraultza hori gauzatzeko hautagai argiak dira, «hori bai esan dezakegu». Are gehiago, Garcia Vergniory, Elkoro eta lankideen lanaren ostean, zientzialariek badakite material asko daudela propietate hauekin. «200 material topologiko ezagutzen genituen orain arte, eta, bat-batean milaka ezagutzera pasatu gara, eta gehiago etorriko dira», esan du Elkorok. Garcia Vergniory zuhurra da, edonola ere: «Esan dezakegu material on bat aurkitzeko aukera asko daudela. Baina oraindik ez dugula topatu». Zeren bila ari dira, ordea? Erresistentzia txikiko energia kanal horiek oso isolatuak egotea, horietatik korrontea oso garbi pasatu dadin.

Kalkuluak sinpletu

Zer aldatu da, bada, material topologikoen leihoa tupustean horrenbeste zabaltzeko? Elkorok azaldu duenez, material bat topologikoa ote zen jakiteko operazioak oso astunak ziren konputazioaren aldetik, eta denbora luzea eskatzen zuten. Baina duela urte eta erdi eredu berri bat argitaratu zuen ikertzaile talde berak Nature aldizkarian bertan. Horretan, izugarri sinpletu zuten prozedura. «Aski da bospasei puntutan datuak jasotzea, informazio bera lortzeko. Horrek asko azkartu zuen prozedura».

Donostiako DIPCko Atlas superordenagailua erabili dute kalkuluak egiteko, baina, batez ere, Max Planck Institutuko makinatzarrak.

«Orain, badakigu non bilatu», esan du Elkorok. 200.000 konposatu daude datu baseetan, eta, orain, askoz azkarrago aztertu ahalko dira. Dagoeneko 26.000 inguru aztertu dituzte. «Gure helburua ia denak aztertzea da, poliki».

Sarean jarri dute katalogoa eta kontsulta tresna bat, material berri bat sortzen duen edonork ikusterik izan dezan horrek propietate topologikoak ote dituen.

Princeton (AEB), Dresden (Alemania), Paris eta Euskal Herriko zientzialarion arteko lankidetza Leioan hasi zen (Bizkaia). Elkororen Kristalografia Saileko lankideek zerbitzari bat jarri zuten duela hogei urte, euren programak munduko ikertzaile guztiek erabiltzeko moduan. «Orain, beste hau jarri dugu, eta, edonork konposatu bat sortzen badu munduan, minutu batean jakin dezake topologikoa den ala ez».

Sarean dago katalogoa, eta materialak aztertzeko tresna,http://www.topologicalquantumchemistry.com helbidean.

Beste taula periodiko bat

Aurten ehun urte bete ditu elementuen taula periodikoak, eta horren forma eman diote kontsultatzeko tresnari. Konposaturik onenak identifikatu eta experimentalki egiaztatu behar dituzte orain. Hori egiten denean, «taula periodiko topologiko oso batekin amets egin ahalko dugu», esan du Andrei Bernevig ikerketaren buruak, Princetongo Unibertsitatearen oharrean.

Garcia Vergniory eta Elkororekin, Claudia Felser (Max Planck Institutua), Nicolas Regnault (Parisko Ecole Normale Superieure, CNRS), Bernevig bera eta Zhijun Wang (Princeton) aritu dira. Katalogotik zer teknologiak sortuko diren zaila da esatea. «Gure mundua oinarrizko zientzia da», esan du Elkorok, «eta historian gertatu izan da aurkikuntza batek sekulako aplikazioak izango zituela ziurtzat ematea, eta gero ez gertatzea, eta bidean kasualitatez ikusitako gauza arraro batek ekartzea aplikazio izugarriak».

Edozein kasutan, gizateriak badaki orain erroskillak kikara bihurtzea ez dela miraria, arrunt miragarria baizik.