Taula periodikoak elementuak euren propietate kimikoen arabera sailkatzen ditu, hala nola elektroi kopurua edo elektronegatibitatea. Sailkapen honek, bere egunean, elementu berrien iragarpenera eta ondorengo aurkikuntzara eraman zuen. Era berean, solido kristalino ez-magnetikoak – erregularki kokatutako elementu bildumak – berriki sailkatu dira taula periodiko “topologiko” baten bidez, Kimika Kuantiko Topologikoaren teorietan eta Simetria Adierazleetan oinarrituta. Horri esker, dozenaka mila material topologiko ez-magnetiko identifikatu dira, eta, hortik abiatuta, milaka isolatzaile topologiko berri aurkitu dira.

Baina, bere homologo ez-magnetikoak ez bezala, orain arte konposatu magnetikoak ezin ziren sailkatu metodo topologiko automatizatuak aplikatuz. Honen ordez, material topologiko magnetikoei buruzko ikerketak ad hoc egiten ziren, haien aplikazio posibleak ikusirik. Adibidez, bihurgailu termoelektriko eraginkorragoak, ordenagailu kuantikoen nukleoa izan daitezkeen energetikoki eraginkorrak diren gailu mikroelektronikoen osagaiak edo memoria magnetiko hobetuen euskarriak izan baitaitezke. Nahiz eta material topologikoen eta horien propietateen lehen azterketa teorikoak, 1980ko hamarkadaren hasieran eginikoak, sistema magnetikoetan garatu ziren – ahalegin horiek 2016an Fisikako Nobel Saria jaso zuen –, paradoxikoki, material topologikoen aurkikuntzan egindako azken 40 urteetako aurrerapenak, neurri handi batean, isolatzaile eta erdieroale topologiko ez-magnetikoetan gertatu dira.

Material magnetiko topologikoetarako hautagaien gabezia erlatiboa komposatu kristalalino magnetikoen simetria konplexuei, eta iman kuantikoak simulatzeak eta neurtzeak dakartzan zailtasun teoriko eta esperimentalei egotz dakieke. Alde batetik, dauden datu-baseetan egitura kristalino ez-magnetiko ezaguna duten ehunka mila konposatu bila daitezkeen bitartean, material magnetiko handienen datu-baseetan esperimentalki neurtutako ehunka egitura magnetiko baino ez daude. Bestetik, egitura ez-magnetikoak 230 talde espazialetan sailkatzen diren bitartean, material magnetikoak 1.421 talde espazial magnetikotan sailkatzen dira. “Horrez gain, sistema magnetiko guztietan beste interakzio batzuk ere kontuan hartu behar ditugu, simulatzen zailagoak direnak. Horren ondorioz, material topologiko magnetikoak aurreikusteko lana askoz ere zailagoa da, baita zenbakiak hobeak izango balira ere”, adierazi du B. Andrei Bernevig Princetongo Unibertsitateko fisikako irakasleak, eta gabezia horren arazoa konpondu nahi duen ikerketaren egilekideak.

Aste honetan bertan Nature aldizkarian argitaratutako Bernevig taldearen ikerketa lanean, Halle eta Dresdengo Max Planck Institutoko, Euskal Herriko Unibertsitateko (UPV/EHU), Ikerbasque Fundazioko, Donostia International Physics Centerreko (DIPC), CNRS eta Parisko Ecole Normale Superieure Institutuko, Massachusettseko Institutu Teknologikoko (MIT), Shangaiko Unibertsitate Teknikoko, Oxfordeko Unibertsitateko eta Princetongo Unibertsitateko ikertzaileek osatutako nazioarteko talde batek, propietate elektroniko topologikoak dituzten material magnetikoak aurkitzeko aurrerapauso handia egin du.

Aurretik, 2017an, Princetongo Unibertsitateko, UPV/EHUko, Max Planck Institutoko eta DIPCko ikertzaile talde batek, ikuspegi oso eta berritzaile bat garatu zuen material ez-magnetikoen banda-egitura ulertzeko. “Teoria honetan, Kimika Kuantiko Topologikoa (TQC) deitua, material baten ezaugarri topologikoak bere azpiko kimikarekin lotu genituen. Horrek bihurtu zuen material topologiko ez-magnetikoen bilaketa, modu eraginkor batean automatizatu zitekeen zeregin batean”, adierazi du Luis Elcorok, UPV/EHUko Zientzia eta Teknologia Fakultateko irakasle eta bi ikerketen egileetako batek. TQC teroria marko unibertsal bat da, banda-egitura eta material kristalinoen egitura posible guztiak iragartzeko eta ezaugarriak zehazteko. Teoria hau esperimentalki ezagutzen ziren 35.000 konposatu ez-magnetikoei aplikatu zitzaien eta 15.000 material topologiko berri aurkitzera eraman zuen.

“Azken bi urteetan milaka material topologiko identifikatu ditugun bitartean, azken bi hamarkadetan ehunka gutxi batzuk baino ez ziren identifikatu. Tresna berritzaile hauek aplikatu aurretik, ezaugarri harrigarri hauek dituzte material berriak bilatzea, iluntzean lastategi batean orratz bat bilatzea bezala zen. Orain berriz, material topologiko ez-magnetikoen bilaketa ia ohiko ariketa bat da” dio Maia G. Vergniory DIPCko Ikerbasque ikerlari elkartuak eta bi ikerketen egileetako batek.

Material ez-magnetikoekin lortutako arrakasta erreproduzitzeko, ikertzaileek bi oztopo nagusiri egin behar zieten aurre: alde batetik, material magnetiko jakin baten banda-topologia aztertzeko argitu behar den makineria teorikoa konplexua da oso. Eta, bestetik, egitura magnetikoa modu fidagarrian ezagutzen den material magnetikoen kopurua nahiko txikia da. “Aztertzeko 200.000 konposatu ez-magnetiko genituen bitartean, esperimentalki neurtutako egitura magnetikoen datu-baserik handienak 1.000 erregistro inguru besterik ez ditu”, argitu du Elcoro irakasleak.

“Zorionez, Bilbao Crystallographic Server-eko egitura magnetikoen datu-basearen atzean dauden pertsonen lan zehatza genuen eskura, eta horri esker gure eredu teorikoetan hasierako parametro zuzenak sartu ahal izan genituen”, adierazi du Yuanfeng Xuk, Halleko Max Planck Institutuko doktoretza ondoko ikertzaileak eta ikerketa honen lehen egileak. Informazio magnetikoa, neurri batean Elcoro irakasleak garatu duen Bilbao Crystallographic Server-en dago (www.cryst.ehu.es) gordeta. Hautagai potentzial onenak aukeratu ondoren, ikertzaile taldeak 549 egitura magnetiko aztertu zituen, lehenik eta behin, ab-initio metodoak aplikatuz – hasierako parametro enpirikoak erabiltzen ez dituzten lehen printzipioen simulazioak – uhin-funtzio elektronikoen simetria magnetikoak lortzeko, eta, ondoren, TQCren hedapen magnetiko bat eraikiz, banda elektronikoaren topologia ez-tribiala zein egitura magnetikok zuten zehazteko. Ikerketan 100 material magnetiko topologiko baino gehiago daudela iragarri dute. Halaber, naturan material magnetiko topologikoen proportzioa (549tik 130) konposatu ez-magnetikoetan dagoen proportzioaren antzekoa dela aurkitu dute.

Egileak baikor agertu dira emaitzekin; izan ere, nahiz eta konposatu magnetikoen kopuru absolutua txikia izan, orain arte aztertutako material ez-magnetikoekin alderatuta, ezaugarri liluragarrien aniztasun handiagoa aurkitu dute, eta, ondorioz, oso interesgarriak dira etorkizuneko esperimentuak diseinatzeko. “Material magnetiko topologiko berriak iragarri ditugunez, hurrengo urratsa haien propietate topologikoak esperimentalki egiaztatzea da”, dio G. Vergnioryk.

Ikertzaileek online datu-base bat ere sortu dute ikerketa honen emaitzetara askatasunez sartzeko: www.topologicalquantumchemistry.fr/magnetic. Hainbat bilaketa-tresna erabiliz, erabiltzaileek aztertutako 500 egitura magnetiko baino gehiagoren propietate topologikoak arakatu ditzakete. “Egitura magnetiko topologikoen katalogo baten oinarriak ezarri ditugu”, esan du Elkorok. Espero izatekoa da simetria magnetikoaren erabilera ingurune esperimental eta teorikoetan estandarizatzeak, lan honetan garatutako tresnak era orokor batean hartzearekin batera, material magnetikoetan aurkikuntzen eztanda handia ekarriko duela datozen urteetan.