Vedci vyvinuli prelomový materiál, ktorý skáče medzi kvantovými stavmi. Môže zmeniť elektroniku

Vedci objavili materiál, ktorý sa správa takmer ako prepínač medzi dvoma kvantovými realitami. Nejde pritom o exotický experiment v extrémnych podmienkach, ale o pevný kryštál, ktorého vlastnosti dokážeš meniť obyčajným elektrickým prúdom, píše Phys.org.

Na požiadanie mení svoju štruktúru

Výskum, na ktorom sa podieľal tím z Argonne National Laboratory patriaci pod U.S. Department of Energy, sa zameral na zlúčeninu KxNi₄S₂. Ide o vrstvený materiál, v ktorom sa striedajú vrstvy niklu a síry s vrstvami draslíka. Práve množstvo draslíka je kľúčové, pretože sa môže meniť od nuly až po plné obsadenie, čím sa zásadne mení vnútorná štruktúra kryštálu.

Pôvodne tento materiál vznikol už v roku 2021 pri hľadaní nových supravodičov. Vedci však narazili na oveľa zaujímavejší efekt. Keď cez materiál pustili elektrický prúd, vrstvy draslíka sa začali z kryštálu „vyťahovať“. Tým sa celá štruktúra zmenila a doslova sa zrútil pôvodný vrstvený „sendvič“. Kľúčové je, že tento proces je reverzibilný. Draslík sa dá do štruktúry vrátiť a materiál sa prepne späť.

Práve toto prepínanie odhalilo unikátnu vlastnosť. Ten istý materiál dokáže existovať v dvoch odlišných kvantových režimoch. V jednom prípade sa jeho elektróny správajú ako takmer bezhmotné častice pohybujúce sa extrémne rýchlo, čo je typické pre tzv. Diracove kužele. V druhom prípade sa elektróny akoby „spomalia“, nadobudnú efektívne veľkú hmotnosť a vytvoria takzvané ploché pásy.

Z pohľadu fyziky ide o zásadne odlišné režimy transportu elektrónov. Diracove kužele poznáš napríklad z grafénu, kde umožňujú extrémne rýchly pohyb nosičov náboja a teda aj vysokorýchlostnú elektroniku. Naopak ploché pásy sú spojené so silnými interakciami medzi elektrónmi, ktoré môžu viesť k exotickým javom ako nekonvenčná supravodivosť či kvantové magnetické stavy.

Využitie môže nájsť v elektronike

Vedúci výskumu Mercouri Kanatzidis z Northwestern University upozorňuje, že takáto kombinácia je extrémne zriedkavá. Podľa jeho slov ide pravdepodobne o prvý známy materiál, v ktorom môžeš plynulo prepínať medzi týmito dvoma kvantovými stavmi bez potreby meniť samotnú látku.

Hengdi Zhao

Experimenty prebiehali v špičkových zariadeniach ako Center for Nanoscale Materials a Advanced Photon Source, kde vedci pomocou synchrotrónového žiarenia priamo sledovali zmeny v elektronickej štruktúre. Výpočty zabezpečil vysokovýkonný klaster Bebop, ktorý umožnil modelovať správanie elektrónov na kvantovej úrovni.

Za samotným efektom pravdepodobne stojí vysoká koncentrácia niklu. Atómy niklu sú v materiáli natlačené tak blízko, že medzi nimi vznikajú silné väzby a kolektívne kvantové interakcie. Práve tie umožňujú vznik oboch extrémnych stavov v jednom systéme.

Z technologického hľadiska ide o potenciálny prelom. Materiál, ktorý dokážeš elektricky prepínať medzi rýchlym a „ťažkým“ režimom elektrónov, by mohol slúžiť ako základ pre nové typy tranzistorov, adaptívnych senzorov alebo kvantových zariadení. Namiesto kombinovania viacerých materiálov by si totiž pracoval s jedným, ktorý mení svoje vlastnosti v reálnom čase.

Čítajte viac z kategórie: Novinky