RESEARCH GROUPS
Aunque se mantienen grupos de investigación independientes, el Centro opera como un ecosistema de investigación transversal y orientado a retos, promoviendo colaboraciones flexibles y enfoques orientados a proyectos que integran el conocimiento más allá de las fronteras disciplinarias tradicionales, definidas por las cinco líneas de investigación y cruzadas transversalmente por los dos ejes de ámbitos sociales.
INTERFACES GAS/SÓLIDO
El grupo «Interfaces Gas/Sólido» se centra en la comprensión a escala atómica de los procesos físicos y químicos que tienen lugar en la interfaz entre las fases gaseosa y sólida de la materia. La comprensión de estos procesos elementales, tanto reactivos como no reactivos, es crucial en numerosas aplicaciones vinculadas a la energía y al medio ambiente, tales como la catálisis heterogénea, la electroquímica, el almacenamiento de hidrógeno y los reactores de fusión. La actividad del grupo se sustenta en el desarrollo de nuevas metodologías, así como en el uso de cálculos de estructura electrónica basados en primeros principios para describir la dinámica de interacción en sistemas tan complejos. Se presta especial atención al desarrollo de modelos teóricos capaces de describir las contribuciones no adiabáticas y los canales de disipación de energía intervinientes, ya que pueden alterar drásticamente el resultado de la dinámica. Las líneas de investigación actuales del grupo incluyen asimismo avances metodológicos en la simulación y el análisis de la dinámica y reacciones de adsorbatos inducidas por luz, así como el uso de estrategias de aprendizaje automático específicamente adaptadas al estudio de la dinámica de interfaces gas/sólido.
FENÓMENOS CUÁNTICOS EN SUPERFICIES
La actividad del grupo «Fenómenos Cuánticos en Superficies» se enfoca en el desarrollo de esquemas computacionales para desvelar la riqueza de funciones espectrales realistas, con el Dr. Deung-Jang Choi al frente del trabajo experimental y el Dr. Nicolas Lorente al frente del trabajo teórico. Las principales líneas de investigación del grupo son las excitaciones electrónicas, vibracionales y magnéticas, en particular de sistemas moleculares y nanomagnéticos sobre superficies sólidas, desde semiconductores y metales hasta superconductores. En los últimos años, se han abordado los siguientes objetivos: (i) el uso de la teoría del funcional de la densidad (DFT) para comprender la estructura geométrica y electrónica de diversos sistemas de superficie, y (ii) el desarrollo de teorías y tratamientos numéricos para comprender los fenómenos observados mediante microscopía de efecto túnel (STM).
LABORATORIO DE NANOFÍSICA
El grupo NanoPhysics Lab (NPL) estudia las propiedades estructurales, electrónicas, magnéticas y químicas de nanoestructuras crecidas in situ y ex situ en el contexto de la ciencia experimental de superficies. El NPL persigue explorar fenómenos relevantes y todavía poco conocidos que acontecen en la superficie de materiales sólidos, tales como el control a escala atómica de reacciones químicas en superficies y de la catálisis, la fabricación ascendente (bottom-up) de materiales funcionales 1D o 2D, así como el crecimiento de nuevos materiales laminares con potencial aplicación en dispositivos tecnológicos punteros. El grupo aplica la síntesis de materiales atómicamente perfectos a problemas prácticos de interés tecnológico e industrial, alineados con tres grandes retos sociales actuales: tecnologías cuánticas, sensores químicos de precisión molecular y catalizadores para energías limpias.
El NPL cuenta con uno de los conjuntos más completos y modernos de técnicas de ciencia de superficies de alta sensibilidad, combinadas con herramientas para el crecimiento de materiales y nanoestructuras, desde el crecimiento capa a capa hasta la fabricación de dispositivos. Así, el laboratorio del NPL dispone de varios equipos multitécnica de ultra-alto vacío distribuidos en cinco laboratorios diferentes.
MODELIZACIÓN Y SIMULACIÓN
La actividad del grupo «Modelización y Simulación» se centra en el estudio teórico de las propiedades electrónicas y estructurales de materiales complejos, superficies limpias y decoradas, y nanoestructuras. Persigue los siguientes objetivos: (i) desarrollar la teoría básica y las herramientas de simulación ab initio para estudiar el comportamiento de diversos dispositivos nanoelectrónicos, en particular aquellos basados en derivados del grafeno, (ii) estudiar las propiedades ópticas de interfaces híbridas orgánicas/inorgánicas complejas, (iii) estudiar las propiedades magnéticas de diferentes nanoestructuras, que van desde sistemas unidimensionales hasta redes de coordinación y heteroestructuras multicapa en superficies, y (iv) continuar impulsando el desarrollo del código SIESTA. La mayor parte de la actividad de investigación de este grupo se lleva a cabo en estrecha colaboración con otros grupos teóricos y experimentales del CFM, así como con grupos de otros centros de investigación del País Vasco.
ESPECTROSCOPÍA A ESCALA ATÓMICA
La actividad del grupo «Espectroscopía a Escala Atómica» está dedicada a explorar las características estructurales y espectroscópicas de los materiales a escala local mediante técnicas de microscopía de efecto túnel (STM). Los objetivos de esta actividad se centran en: (i) comprender los diferentes mecanismos que influyen en las propiedades electrónicas, magnéticas y vibracionales en superficies, (ii) estudiar el transporte electrónico y la reactividad química de nanoestructuras soportadas sobre superficies, (iii) investigar nuevas estrategias orientadas a la formación de estructuras conjugadas covalentemente enlazadas con grupos funcionales, y (iv) analizar las propiedades bidimensionales emergentes en materiales laminares.
La actividad de investigación experimental se sustenta en un microscopio de sonda de barrido a baja temperatura, empleado para correlacionar la estructura y las propiedades electrónicas y vibracionales de nanoestructuras e interfaces a escala atómica. Tanto el crecimiento de las interfaces como su caracterización tienen lugar en condiciones de ultra-alto vacío y a temperaturas de hasta 1 K, una situación de gran complejidad y exigencia desde el punto de vista metodológico.
EXCITACIONES ELECTRÓNICAS EN SUPERFICIES Y NANOESTRUCTURAS
La actividad del grupo «Excitaciones Electrónicas en Superficies y Nanoestructuras» se dedica al estudio teórico de las propiedades electrónicas y magnéticas de sólidos, superficies y sistemas de baja dimensionalidad, enfocándose especialmente en sistemas de tamaño nanométrico. Los intereses generales de esta actividad incluyen: (i) excitaciones electrónicas dependientes del espín en óxidos y metales, (ii) estados electrónicos y excitaciones en aislantes topológicos, (iii) teoría de muchos cuerpos para tiempos de vida electrónica, (iv) propiedades fundamentales, tales como dispersión de energía y tiempos de vida de nuevas excitaciones colectivas de baja energía, y (v) estudios de nanoestructuras, tales como materiales bidimensionales similares al grafeno, y nanotubos inorgánicos y minerales con cadenas de silicatos.
En los últimos años, este grupo ha investigado las propiedades electrónicas y magnéticas de materiales empleando metodologías de primeros principios. Asimismo, se ha estudiado la dinámica de electrones en diversos sistemas, prestando especial atención a los procesos ultrarrápidos y a los efectos de tamaño. Los materiales avanzados, tales como los aislantes topológicos y los sistemas derivados del cemento, constituyen objetivos actuales de estas actividades.
TEORÍA CUÁNTICA DE MATERIALES
La actividad del grupo «Teoría Cuántica de Materiales» se centra en el cálculo de propiedades de materiales mediante primeros principios y en el desarrollo de nuevas técnicas ab initio. El grupo desarrolla nuevos métodos teóricos orientados a superar las limitaciones asociadas a las aproximaciones teóricas convencionales, especialmente para describir con mayor precisión cuántica las interacciones electrón-fonón y fonón-fonón. Estas nuevas técnicas se aplican para comprender las propiedades electrónicas y vibracionales de materiales complejos, así como para predecir de forma puramente ab initio nuevos compuestos con propiedades de gran interés.
En los últimos años, el equipo ha concentrado sus esfuerzos en el estudio de: (i) compuestos basados en hidrógeno superconductores a alta temperatura bajo alta presión, así como el propio hidrógeno; (ii) materiales termoeléctricos y con ondas de densidad de carga tanto en volumen como en monocapa, con el propósito de caracterizar su diagrama de fases y propiedades de transporte; (iii) excitaciones electrónicas colectivas en metales; (iv) polaritones de fonón; (v) redes ópticas; y, finalmente, (vi) sistemas biofísicos.
Aitor Bergara, catedrático de la EHU, Jose María Pitarke, director de CIC nanoGUNE y catedrático de la EHU, y Ion Errea, profesor titular de la EHU, comparten intereses y colaboran como investigadores permanentes en este grupo, actualmente liderado por Ion Errea. Este último ha formado un equipo con sede en las instalaciones del CFM, constituyendo el nuevo «Errea Lab».
FÍSICA MESOSCÓPICA
La actividad del grupo «Física Mesoscópica» se centra en los aspectos teóricos del transporte cuántico en nanoestructuras y sistemas mesoscópicos. Su investigación principal abarca diversos materiales y estructuras, incluyendo metales, ferromagnetos, semiconductores, superconductores, sistemas de baja dimensionalidad y materia topológica. Además de la labor teórica, el grupo cuenta con una amplia red de colaboradores experimentales.
En los últimos años, se ha puesto especial énfasis en los siguientes objetivos de investigación: (i) desarrollar herramientas teóricas para estudiar el transporte dependiente del espín en sistemas híbridos con acoplamiento espín-órbita, campos de canje y superconductividad; (ii) analizar el transporte de calor electrónico a escala nanométrica; (iii) explorar la viabilidad de utilizar materiales superconductores para sensórica y detección; y (iv) diseñar dispositivos electrónicos y de espintrónica con nuevas funcionalidades.
ESPECTROSCOPÍA NANO-BIO
El grupo «Espectroscopía Nano-Bio» se enfoca en la teoría y modelización de propiedades electrónicas y estructurales en materia condensada y en el desarrollo de novedosas herramientas teóricas y códigos computacionales para investigar la respuesta electrónica de sólidos y nanoestructuras ante campos electromagnéticos externos. Las actividades de investigación actuales abarcan nuevos desarrollos en teoría de muchos cuerpos y TDDFT (teoría del funcional de la densidad dependiente del tiempo). Asimismo, se aborda la descripción teórica de espectroscopía óptica, espectroscopías resueltas en el tiempo, STM/STS y XAFS. Entre los desarrollos metodológicos se incluyen nuevas técnicas para calcular energías totales, la evaluación y desarrollo de funcionales de intercambio y correlación para cálculos TDDFT y mejoras en la teoría del transporte dentro del formalismo TDDFT en tiempo real.
GRUPO SOUZA
La actividad de este grupo se centra en la teoría fundamental de la materia condensada, empleando técnicas computacionales para estudiar las propiedades de materiales avanzados a partir de primeros principios. Las líneas de trabajo que el grupo continúa desarrollando son: (i) el estudio del estado fundamental y de los fenómenos ópticos y de transporte derivados de la ruptura de simetrías, tales como la inversión temporal (orden magnético) y la inversión espacial, y (ii) la descripción de las propiedades electrónicas de sólidos mediante el uso de fases geométricas y conceptos asociados.
En los últimos años, el trabajo ha supuesto el desarrollo de nuevos enfoques teóricos y algoritmos, así como su aplicación a problemas de gran actualidad, incluidos métodos para estudiar aislantes en campos eléctricos finitos, además de la construcción de orbitales de Wannier localizados para metales. También se han abordado satisfactoriamente los fenómenos derivados de la interacción mutua entre el orden magnético colectivo en sólidos y la interacción espín-órbita en los átomos constituyentes.
MATERIALES CERÁMICOS Y DERIVADOS DEL CEMENTO
El grupo investiga una amplia variedad de propiedades de materiales cerámicos y derivados del cemento tanto a nivel experimental como teórico. Combinando conocimientos de disciplinas diversas como la física del estado sólido, la física de la materia blanda, la geoquímica y la ingeniería química, el grupo «Materiales Cerámicos y Derivados del Cemento» se enfoca en el diseño computacional y la síntesis de nuevos materiales cerámicos y cementosos con una menor huella de CO2.
Los objetivos iniciales del grupo son: (i) el uso de simulaciones atomísticas y coloidales para estudiar la estructura y propiedades de materiales derivados del cemento, (ii) la implementación de nuevas tecnologías de fluidos hidrotermales y supercríticos (FSC) para la síntesis ultrarrápida de nanopartículas cerámicas, (iii) el desarrollo de nuevas metodologías de sinterización mediante el uso de autoclaves o microondas que permitan notables ahorros energéticos y una reducción drástica de las emisiones de CO2, y (iv) el desarrollo de soluciones de almacenamiento energético a partir de materiales derivados del cemento, abarcando aplicaciones tanto de almacenamiento químico (baterías) como de almacenamiento térmico (sistemas TES).
TEORÍA DE EXCITACIONES ELECTRÓNICAS Y ÓPTICAS EN SÓLIDOS
La investigación del grupo se enfoca en propiedades de materiales de gran interés actual, tales como la respuesta óptica no lineal de semiconductores, las excitaciones electrónicas colectivas y el comportamiento magnético de sistemas de baja dimensionalidad como los adátomos individuales. Para la caracterización mediante primeros principios de estos sistemas se hace uso generalmente de paquetes de software de vanguardia que implementan la teoría del funcional de la densidad. Para el análisis de propiedades más exóticas desarrollamos algoritmos propios y enfoques teóricos que a menudo recurren a modelos k·p y de enlace fuerte (tight-binding).
TEORÍA DE NANOFOTÓNICA
La actividad del grupo «Teoría de Nanofotónica» está consagrada al estudio teórico de la interacción entre radiación electromagnética y materiales nanoestructurados. La labor investigadora del grupo se centra en el estudio teórico de la excitación de plasmones, puntos cuánticos y nanoestructuras dieléctricas en el marco de diversas configuraciones de microscopía y espectroscopía: microscopía de campo oscuro (DFM), microscopía óptica de campo cercano por barrido de tipo dispersivo (s-SNOM), espectroscopía de pérdida de energía de electrones (EELS), microscopía de efecto túnel (STM), dispersión Raman amplificada por superficie (SERS), absorción infrarroja amplificada por superficie (SEIRA) y fluorescencia amplificada por superficie (SEF), entre otras.
En los últimos años, el grupo ha abordado los siguientes objetivos específicos: (i) comprensión y caracterización de las excitaciones colectivas del gas de electrones (plasmones) en diversas técnicas espectroscópicas y microscópicas, (ii) estudio de nanoestructuras metálicas como intensificadores y concentradores del campo electromagnético, (iii) desarrollo de protocolos y modelos para interpretar y describir con mayor precisión las imágenes obtenidas mediante microscopio óptico de campo cercano por barrido, (iv) estudio y aprovechamiento de la interacción entre electrones rápidos y la materia para desarrollar nuevos paradigmas de espectroscopía a escala nanométrica, (v) descripción de efectos cuánticos derivados de la naturaleza coherente de los electrones que integran una excitación plasmónica, (vi) estudio de la actividad magnética de nanoestructuras dieléctricas a frecuencias ópticas, (vii) caracterización de la dinámica y del acoplamiento de emisores destinados a tecnologías cuánticas de la información, y (viii) abordaje de no linealidades y efectos colectivos en optomecánica molecular.
NANOMATERIALES Y ESPECTROSCOPÍA
La actividad del grupo «Nanomateriales y Espectroscopía» se enfoca en el estudio experimental de la espectroscopía y aplicaciones fotónicas de unidades funcionales a escala nanométrica, incluyendo puntos cuánticos e hilos cuánticos semiconductores, nanopartículas metálicas y nanoantenas, así como sistemas nanohíbridos orgánicos/inorgánicos. Un laboratorio de nanofotónica, dotado de microscopía de tiempo de vida basada en espectroscopía de emisión de fluorescencia como equipamiento esencial, hace posible esta actividad.
A lo largo de los últimos años, la investigación en esta línea ha abordado los siguientes objetivos específicos: (i) el desarrollo de nuevos materiales nanohíbridos mediante bloques constructivos a nanoescala, (ii) la investigación de la interacción entre luz y sistemas a escala nanométrica, (iii) el estudio experimental de la transferencia y conversión de energía en nanoestructuras hasta el nivel de punto cuántico o molécula individual, y (iv) el desarrollo de innovadores enfoques experimentales para controlar, manipular y explorar la materia con luz a escala nanométrica.
Física de Láseres y Materiales Fotónicos
La actividad del grupo «Física de Láseres y Materiales Fotónicos» concentra la mayor parte de sus esfuerzos investigadores en el estudio de procesos de interacción luz-materia en nuevos materiales fotónicos con aplicaciones potenciales en el campo de la optoelectrónica (amplificadores ópticos, láseres, convertidores de luz, refrigeradores por láser…) y la biomedicina (trazadores ópticos nanoestructurados, imagen 3D multiespectral, sensores).
En los últimos años, se han perseguido los siguientes objetivos específicos en esta temática: (i) la investigación de vitrocerámicas dopadas con tierras raras para aplicaciones en óptica integrada, (ii) el estudio de procesos de emisión láser en materiales híbridos micro/nanoestructurados dopados con colorantes para aplicaciones optoelectrónicas y biomédicas, (iii) la síntesis y desarrollo de nuevos materiales eutécticos para aplicaciones biomédicas, (iv) el estudio experimental y teórico de la generación de luz en polvos dieléctricos micro/nanocristalinos dopados con tierras raras para láseres aleatorios infrarrojos, (v) el estudio de la refrigeración inducida por láser en materiales micro/nanoestructurados dopados con tierras raras, y (vi) el diseño y puesta a punto de un sistema de grabado de guías de onda ópticas mediante láser de femtosegundo.
LABORATORIO DE NANOFOTÓNICA CUÁNTICA
El Laboratorio de Nanofotónica Cuántica está integrado por un equipo de investigadores consagrado a desvelar la física de las interacciones entre luz cuántica y materia a nanoescala. El grupo experimenta con estados exóticos de la luz, tales como estados de fotón único, fotones entrelazados o estados comprimidos de luz (squeezed states), y los hace interaccionar con estructuras diminutas con el propósito de controlar las propiedades cuánticas de las nanopartículas mediante su interacción con la luz. Ello permite diseñar sensores de precisión cuántica mejorada, perfeccionar el procesamiento de información y, sobre todo, traspasar las fronteras del conocimiento y estimular nuestra curiosidad.
Creado a principios de 2018, desde entonces se ha expandido para abarcar un conjunto de técnicas experimentales, entre las que destacan la espectroscopía óptica con luz clásica y cuántica, el desarrollo de fuentes cuánticas de luz, el control cuántico de nanoestructuras, las pinzas ópticas y la levitación óptica.
En la actualidad, el laboratorio alberga tres mesas ópticas, un criostato de ciclo cerrado direccionable ópticamente, un conjunto de fuentes láser sintonizables y una plataforma de pinzas ópticas, entre otros equipamientos ópticos.
POLÍMEROS Y MATERIA BLANDA
El objetivo científico general del programa de actividad de este grupo es alcanzar una comprensión fundamental de la interrelación entre estructura y dinámica a diferentes escalas espaciales y temporales (micro, nano, meso, macro) en materiales de creciente complejidad basados en polímeros, líquidos formadores de vidrio y materia blanda; en particular: polímeros de diferentes arquitecturas, nanopartículas poliméricas de cadena única, sistemas multicomponente, nanoestructurados y biopolímeros. Estos materiales presentan dinámicas y reologías complejas y, en muchos casos, exhiben relajaciones jerárquicas a través de múltiples escalas de tiempo y longitud que requieren ser desentrañadas. Esto influye de manera determinante en el procesado y en las propiedades de los materiales finales. Para diseñar de forma racional materiales y procesos idóneos para diversas aplicaciones tecnológicas, resulta indispensable un conocimiento riguroso de la interacción entre estructura y dinámica a diferentes escalas de longitud y tiempo.
Inspirándose en la física clásica de polímeros, la física de la materia blanda y la física de la materia condensada, el grupo de Polímeros y Materia Blanda ha desarrollado en los últimos años una metodología pionera y contrastada para llevar a cabo este programa. Dicha metodología se fundamenta en la combinación de diversas técnicas experimentales de relajación con métodos de dispersión de neutrones, rayos X y luz, simulaciones de dinámica molecular y síntesis química orientada a polímeros. De hecho, la organización del grupo se articula en torno a esta metodología, y su personal investigador (científicos y científicas pertenecientes al CSIC, la UPV/EHU e Ikerbasque) está formado por expertos en diferentes técnicas y métodos, todos ellos implicados en la consecución de los objetivos científicos definidos en cada momento.
HACES CUÁNTICOS Y COMPUTACIÓN PARA MATERIALES SOSTENIBLES
El grupo «Haces Cuánticos y Computación para Materiales Sostenibles» emplea un enfoque polifacético que combina haces cuánticos, teoría y simulación para explorar y comprender la estructura y propiedades de nuevos materiales funcionales sostenibles para aplicaciones energéticas, nanoelectrónica e iluminación.