Eskala atomikoan lan egiten denean, materiak beste era batera jokatzen du, eta fisikak egoera interesgarriak aurkezten ditu. Dena den, horrek guztiak eskakizun tekniko oso garrantzitsuak eskatzen ditu. nanoGUNEko Nanoimaging Taldeak hori guztia praktikan jartzeko baliabide teknikoak —hiru mikroskopio, zein baino zein handiagoak— eta giza baliabideak ditu.

“Materialen propietateak material hori osatzen duten atomoen propietateen araberakoak dira, eta atomoen antolatzeko moduak ere zerikusia du. Gure helburua da atomoen ezaugarriak banan-banan edota nanoegituratan aztertzea, eta horiek material berrietan txertatzeko estrategiak diseinatzea. Izan ere, material horien portaera optimizatzea lortu nahi da, hala nola elektronikaren, magnetismoaren zein katalisiaren arloan”, azaldu du José Ignacio Pascual nanoGUNEko Nanoimaging Taldeko zuzendariak. Talde horren ikerketaren ondorio izan daitezkeen aplikazioetako batzuk material berriez garatutako etorkizuneko gailu elektronikoak dira.

Hirurak bat

José Ignacio Pascualen ikerketa-taldeak hiru mikroskopioetako bat diseinatu eta eraiki du; propietate elektronikoak, mekanikoak eta optikoak eskala atomikoan neur ditzakeen munduko mikroskopio bakarra da. Gainera, atomoak eta molekulak banan-banan mugitzeko aukera ematen du. Mikroskopioa urtarrilean jarri zuten martxan nanoGUNEko sotoko laborategi batean.

Mikroskopioak punta zorrotz bat erabiltzen du zunda gisa, gainazal batean dagoen atomo edo molekula batera hurbiltzeko eta tunel-korrontea neurtzeko; alegia, punta horretatik laginera jauzi egiten duten elektroiak neurtzeko. Elektroi horiek argiak eskala handiago batean duen funtzioa betetzen dute: atomoak ikusteko eta haien ezaugarriak ezagutzeko aukera eskaintzen digute. 

Mikroskopioak muturreko baldintzetan lan egiten du tenperaturari eta hutsari dagokionez. Izan ere, giro-tenperaturan, atomoak etengabe mugitzen ari dira. Ezinezkoa izango litzateke horiek banan-banan aztertzea eta manipulatzea. Hortaz, Pascualen taldeak helio-kriostato bat akoplatu dio mikroskopioari, zero azpitik 269 gradura lan egitea lortzeko. Atomoak geldirik egoteko hotza garrantzitsua den bezalaxe, lan honetan hutsa ere ezinbestekoa da, ezerk ez dezan neurketa distortsionatu, ezta aireak ere —hori ere atomoz osatua dago—. Horretarako, 10-13 atmosferako presioarekin (huts ultra-altua) lan egiten da, galaxiarteko espazioko hutsaren baliokidearekin, hain zuzen. 

Hori ez da guztia. Lehenengo mikroskopio horrek baditu beste zenbait bitxitasun. Elektrizitate-eroaleak ez diren materialekin lan egiteko aukera ematen du, José Ignacio Pascualen taldeak txertatutako kuartzozko diapasoi txiki bati esker. Diapasoi hori dela eta, tunel-efektuko mikroskopioak indar atomikoen mikroskopio gisa ere funtzionatzen du. Hala, bada, atomoak zer indarrez erakartzen diren neurtu daiteke, eta hori ezinbestekoa da nanomaterialen gogortasuna ikertzeko.

Etorkizuneko elektronikarantz 

nanoGUNEko laborategietako batean dagoen tunel-efektuko bigarren mikroskopio batek tenperatura baxuagoetan lan egiten du: zero absolututik gradu bakarrera, hau da, zero azpitik 272 gradura. Mikroskopio horrek aukera ematen du magnetismoari buruzko arazoak aztertzeko atomo indibidualetan. “Atomoak iman txikien modukoak dira, eta horien poloak zoriz orientatzen dira. “Horiek nola ordenatzen diren aztertzea da gure lanaren zati bat”, dio Pascualek. “Oinarrizko ikerketa-lerro bat da, eta nanoteknologiaren alorrean eragiten du. Atomoen magnetismoa banan-banan kontrolatzeko gai bagara, materiaren mugak gainditzen ditugu informazio-metaketaren alorrean. Epe luzeko aplikazioetako bat konputazio kuantikoa litzake; horrek aukera emango luke informazioa askoz abiadura handiagoan prozesatzeko”, gehitu du.

Aldameneko laborategi batean dago indar atomikoen hirugarren mikroskopioa. Elkarlanerako tresna da, eta “banakako atomoekin lan egiteko beharrezkoak diren hotz- eta hutsbaldintzak behar ez dituzten sistema handiagoak ikertzeko aukera ematen du”, azaldu du Pascualek. Tresna horrekin, Nanoimaging taldeak mikroskopian duen esperientzia eskaintzen die nanoGUNEko gainerako ikerketa-taldeei. Halaber, ikerketa-lerroa nanooptikaren, nanomaterialen, nanogailuen eta abarren alorretara zabaltzen du. Pascualen ikerketa-taldearen lana zientziaren oinarrizko mugak arakatzean datza, betiere ezagutza hedatzeko eta etorkizuneko teknologiaren oinarriak finkatzeko. “Gainera, gure ikerketan erabiltzen diren tresnekin lotura zuzena duten produktu teknologikoak egon badaude, eta litekeena da hemen garatzeko aukera izatea”, gehitu du José Ignacio Pascualek.

Ugedak etorkizun handia ikusten die halako materialei espintronikan. Elektronikaren adar berri bat da espintronika, eta haren helburua da elektroien spina maneiatu eta kontrolatzea informazioa garraiatzeko. Informazio gehiago transmiti daiteke elektroiaren spina, elektroien berezko propietate bat, baliatuz. Izan ere, elektroiaren karga elektronikoak ez bezala, spinak kontrako bi balio har ditzake, up eta down. Horrenbestez, datuak askoz ere modu arinago batean garraiatzera irits litezke gailu espintronikoak, potentzia askoz txikiagoa erabiliz eta bero gutxiago metatuz.

Ikertutako materiala wolframioz eta telurioz osatuta dago. Wolframioa Elhuyar anaiek aurkitu zuten 1783an, Bergaran (Gipuzkoa); erabilera asko ditu metal horrek, lanpara elektrikoen harizpietatik hasi eta boligrafoen puntaraino. Bada, metal horren atomoak teluriozko atomoekin konbinatuz, hiru atomo-geruzako egitura batean, propietate topologikoak dituen bi dimentsioko lehenengo material isolatua aurkitu dute, hau da, isolatzaile elektrikoa da barrualdean, eta eroalea, berriz, ertzetan. “Horrelako materialen ertzetako elektroi-fluxua elektroi bakoitzaren spinaren araberakoa da (up eta down); harrigarria bada ere, kontrako spina duten elektroiak kontrako noranzkoan mugitzen dira ertzetatik. Hortaz, spin jakin bateko korronteak sor daitezke, noranzko batean zein bestean. Materialaren ertzeko kanalak edo erreiak bi noranzkoko errepide batekin aldera daitezke, zeintzuetan up elektroiak noranzko batean baitoaz eta down elektroiak bestean. Eta ezin du bestela izan", azaldu du Miguel M. Ugedak.

Bestalde, aipatzekoa da material horren propietate topologikoen ondorioz korronteari ez lioketela inola eragin behar gainazalean meta daitezkeen kutsatzaileek eta ezpurutasunek, ohiko material eroaleen isolatzaile topologikoetan ez bezala. Materialak badu beste abantaila gehigarri bat, Ugedak erantsi duenez: materiala bera "kimikoki egonkorra da, oso erraz sintetizatzen da, eta bi dimentsioko beste material batzuekin konbina daiteke, sandwich modukoak eratuz, eta neurrira diseinatutako propietateak dituzten material artifizialak sortu, beste aplikazio zehatzetarako".

ERC Advanced Grant laguntza ospetsuak bikaintasun zientifikoaren aintzatespen garrantzitsuena dira Europan. Epe luzeko finantzaketa ematen dute, ikertzaile bikainenei eta haien taldeei laguntzeko, arrisku handiko eta onura handiko berrikuntzak bilatuz edozein ikerketa-eremutan. Europako Ikerketa Kontseiluak bikaintasun zientifikoa eskatzen die proiektuari eta ikertzaileei ebaluazio-irizpide bakar gisa, eta horrek Europako ikerketa zientifikoaren abangoardian jartzen du Nacho Pascual.

Espintronika molekularraren teknologiak molekula organikoen spin nuklearra baliatu nahi du oinarrizko informazio-unitate gisa. Tesi horrek grafenozko nanotiren bidezko garraio elektronikoa aztertzen du. Grafenozko nanotira (GNR) horietan integratutako unitate berezi batzuek sortutako spin-egoeretarako sarbide elektronikoa erakusten du.