Fonoi topologikoen katalogo berri batek egoera solidoaren fisika berri baterako bidea ireki du

• Katalogoa eta diagnostiko topologikorako tresnak jendearen eskura jarri dira, eta, horri esker, edonork egiazta, berrinterpreta edo zabaldu ditzake aurkikuntza horiek, bai eta haien baliozkotze esperimentala egin ere.
• Taldeak aurreikusi du fisika berri bat sor daitekeela elektroi topologikoen eta fonoien arteko akoplamenduaren ondorioz. Elektroien gainazaleko egoera topologikoak fononikoekin batera gertatzen badira, gainazalean gertaturiko elektroi-fonoi akloplamenduak gainazaleko supereroankortasuna ekar lezake.

Nazioarteko ikertzaile-talde batek eginiko aurkikuntzaren arabera, materialen bibrazioak eragiten dituzten partikula kuantikoak —haien egonkortasunean eta beste propietate batzuetan eragiten dutenak— topologiaren bidez sailka daitezke. Fonoiek, kristal-sare bateko atomoen bibrazio kolektiborako moduek, inguruko atomoetan uhin gisa hedatzen diren asaldurak sortzen dituzte. Fonoi horiek ezinbestekoak dira egoera solidoan dauden sistemen propietate askotarako, hala nola eroankortasun termiko eta elektrikorako, neutroien dispertsiorako eta fase kuantikoetarako, hala nola karga-dentsitateko uhinetarako eta supereroankortasunerako.

Fonoien espektroa —funtsean, energia momentuaren arabera— eta haien uhin-funtzioak, espazio errealean duten probabilitate-banaketa adierazten dutenak, lehen printzipioko ab initio kodeak erabilita kalkula daitezke. Hala ere, kalkulu horiek orain arte ez dute printzipio bateratzailerik izan. "Elektroien portaera kuantikorako, topologiak —matematiken adar bat— arrakastaz sailkatu ditu materialetako banda elektronikoak. Sailkapen horrek erakusten du materialak ezberdinak direla iruditu arren, benetan oso antzekoak direla. Orain baditugu konposatuen aldizkako taula baten antza duten portaera topologiko elektronikoen katalogoak. Horrek, jakina, honako galdera hau ekarri zigun burura: “Topologiak fonoiak ere karakterizatu ditzake?”, azaldu du Princeton unibertsitateko fisikako irakasle eta DIPCko irakasle gonbidatu den B. Andrei Bernevig-ek, ikerketaren egileetako batek.

Princeton unibertsitateko, Zhejiang unibertsitateko, DIPCko, ENS-CNRSko, Max Planck Instituteko eta Euskal Herriko Unibertsitateko nazioarteko talde batek Science aldizkarian argitaratutako azterlan baten arabera, material-sorta zabal batek fonoi topologikoak izan ditzake bere baitan. Topologia, etengabeko deformazioen bidez kontserbatzen diren propietateen azterketa, barietateak karakterizatzeko erabiltzen da. Adibidez, Mobiusen banda baten eta banda erregular baten arteko aldea bihurdura bat da, eta donut baten eta esfera baten arteko aldea, zulo bat; horietako bat ere ezin da bestea bihurtu barietatea moztu gabe. “Lehenengo, milaka material kuantikoren fonoi-bandak kalkulatu genituen, eta haien uhin-funtzioak identifikatu eta simetrien arabera karakterizatu genituen; hala, fonoien tokiko egitura moduko bat lortuta", azaldu du Yuanfeng Xu ikerketaren lehen egile eta Zhejiang unibertsitateko irakasleak. “Urrats hori bete ondoren, topologia erabili genuen fonoi-banden portaera globala sailkatzeko”, erantsi du.

Fonoi-egituren zenbait datu-base aztertu dira arreta handiz eta agerian geratu da materialen erdiek gutxienez banda fononiko metagarri ez-atomikoen multzo bat dutela. Taldeak banda elektronikoak karakterizatzeko garatutako formalismoaren antzeko bat erabili zuen, Kimika Kuantiko Topologikoari (TQC) buruzko aurreko lanean azaldu zutenez.

Errendimendu handiko kalkuluen lan-fluxua eta estatistikak.

Nazioarteko zientzialari talde batek (Princeton unibertsitatea, Donostia International Physics Center (DIPC), Euskal Herriko Unibertsitatea (UPV/EHU), Max Planck Institute, L'Ecole Normale Supérieure, CNRSko eta Zhejiang unibertsitatea) fonoien hainbat datu-base eskaneatu ditu, eta aurreikusi du fonoi topologikoak daudela 5.000 material ingurutan.

Fonoiek egoera solidoko materialetan banda-topologia ez-hutsalak lortzeko bide berri bat eskaintzen dute, eta, ondorioz, gainazaleko egoera elektronikoak osatu edo hobetu ditzaketen gainazaleko egoera fononikoak sor litezke. “Gainazaleko fonoien egoera topologikoen sendotasuna hainbat aplikaziotarako balia daiteke, hala nola maiztasunak iragazteko edo energia mekanikoa leuntzeko baldintza inperfektuetan, baita beroa transferitzeko eta fotoelektronika infragorrirako ere. Fonoi topologikoek bidea erraztu dezakete fonoien diodoak edo uhin akustikoen gidak sortzeko”, azaldu du Nicolas Regnault ENS-CNRSko irakasle eta ikerketaren egileetako batek. Ab-initio kalkuluen bidez bildu eta datu-baseetan (esaterako PhononDB@kyoto-u eta Materials Project) gordetako hamar mila material baino gehiagoren datuak aztertuta, ikusi zuten materialen % 50ek, gutxienez, arrakala ez-hutsala dutela. “Kalkulu horiek egiteko tresnak Bilbao Crystallographic Server laborategian daude”, jakinarazi du Luis Elcoro Euskal Herriko Unibertsitateko irakasle eta beste egileetako batek. “Banden simetriaren autobalioak zehaztu ondoren, tresna horiekin simetria bidez adierazitako topologia fononiko mota guztiak identifika daitezke. Egiztatu da sareetan propietate topologikoak identifikatzeko formalismo unibertsal bat dela TQC”, erantsi du. Eta honako hau ere aipatu du Elcorok: “Teoria garatu eta kode informatikoetan ezarri ondoren, diagnostiko topologikorako tresnak jendearen eskura jarri dira webgunean, eta, horri esker, edonork egiaztatu, berrinterpretatu edo zabaldu ditzake gure aurkikuntzak”.

“Hasieran espero genituen baino egitura topologiko gehiago aurkitu ditugu fonoietan, eta aurreikusten dugu fonoi topologikoek fisika aberats eta ez oso konbentzional bat ekarriko dutela, elektroi topologikoekin gertatu denaren ildotik”, adierazi du DIPCko eta Max Planckeko (Dresden) irakasle Maia G. Vergniory-k. Vergnioryk, gainera, fonoi topologikoak dituzten materialetarako iragarpenak baliozkotzearen garrantzia nabarmendu du, eta honako hau erantsi du: “Esperimentu horiek topologia elektronikokoak baino zailagoak izan litezke, ez baitago zuzeneko irudizko teknikarik”. Fonoiak biltegi publiko batean katalogatu dira (https://www.topologicalquantumchemistry.com/topophonons), eta ikertzaileek material espezifikoak eskuratu ditzakete bertan. “Gainazaleko egoera fononiko guztiak daude jasota datu-base honetan; hurrengo urratsa esperimentatzaileek haiek neurtzea izango litzateke”, adierazi du Nicolas Regnaultek, eta egiaztapen esperimentalak alor horretan aurrera egiteko duen funtsezko zeregina azpimarratu du.

Taldeak aurreikusi du fisika berri bat sor daitekeela elektroi topologikoen eta fonoien arteko akoplamenduaren ondorioz. Elektroien gainazaleko egoera topologikoak fononikoekin batera gertatzen badira, horrek elektroi-fonoi akoplamendu handia erraztu lezake (naiz eta ez gertatu gauza bera zatirik handienean), eta horrek, aldi berean, gainazaleko supereroankortasuna eragin lezake. “Orain, hobeto ulertu behar dugu topologiak elektroi-fonoi akoplamenduan duen eragina”, ondorioztatu du Bernevigek, ikerketan eman behar dituzten hurrengo urratsak azpimarratuta.