Ett atom förändrade allt

Föreställ dig detta: Du håller i ett material som är så tunt att det i princip är tvådimensionellt, och någonstans där inne snurrar små kvantvirvlar runt. Tänk dig nu att du skulle kunna styra dessa virvlar som en dirigent som leder en orkester – bara genom att ha en yta som knappt ens existerar.

Det är precis vad forskare vid Japans National Institute for Materials Science har upptäckt, och ärligt talat? Det faktum att något så litet kan ha en så stor inverkan får min inre science nerd att bli helt euforisk.

Vad är grejen med virvlar?

Låt mig backa bandet lite. Superledare är de där otroliga materialen som kan leda elektricitet med bokstavligen noll motstånd – ingen värme, ingen slöseri med energi, ingenting. Haken? De fungerar bara när de är superkalla, vanligtvis kallare än rymden. Men när de väl fungerar är de magiska.

Det är här det blir komplicerat. Även i superledare finns dessa små bråkmakare som kallas kvantvirvlar. De skapas där magnetfält tränger igenom materialet, och när de börjar röra på sig skapar de faktiskt motstånd – vilket dödar själva det som gör superledare speciella.

Det är som att ha en bil som drar extremt lite bränsle, förutom att några små gremlins hela tiden stoppar in pinnar i hjulen.

De atomära stegen som ingen förväntade sig

Forskarlaget, lett av Takashi Uchihashi, studerade en ultratunn superledare – vi pratar om ett material som är så tunt att det knappt kan kallas tredimensionellt. De märkte att ytan hade små steg, där varje steg bara var ett enda atom högt.

Nu skulle man kunna tro att ett steg som bara är ett atom högt inte är någon stor grej. Men det visar sig att dessa små steg fungerar som mikroskopiska järnvägsspår.

Teamet upptäckte att virvlar kunde färdas längs dessa steg mer än 1 000 gånger lättare än om de skulle korsa dem vinkelrätt. I kvantvärlden är det inte bara en "ganska bra förbättring" – det är som att gå från att krypa genom tät trafik till att glida fram på en tom motorväg.

Att kontrollera det okontrollerbara

Men det här är vad som verkligen fick mig att bli entusiastisk över denna forskning: forskarna kan faktiskt stämma av denna effekt.

Genom att justera temperaturen eller magnetfältets styrka kan de ändra hur starkt virvlarna följer dessa atomära spår. Det finns till och med en optimal punkt – mellan 0,10 och 0,20 tesla magnetfält – där virvlarna flödar fritt längs stegen utan att fastna i materialets ojämnheter.

Vid de kallaste temperaturerna hände något ännu märkligare. Virvlarna började röra sig via kvanttunnling, vilket i princip innebär att partiklar ignorerar reglerna och passerar genom barriärer som borde ha stoppat dem tvärt (ordvitsen är avsiktlig).

Varför ska du bry dig?

Här är den praktiska sidan av allt detta kvantkaos.

Superledande teknologi används redan i MR-kameror, partikelacceleratorer och vissa experimentella tåg som svävar på magneter. Men tänk om vi kunde göra dessa teknologier mer effektiva, mer pålitliga och kanske – bara kanske – praktiska för vardagselektronik.

Din telefon, din laptop, datacenter som förbrukar enorma mängder ström – alla dessa skulle teoretiskt sett kunna dra nytta av superledande komponenter. Vi pratar om enheter som knappt genererar någon värme och som snarare småsmälter energi än slukar den.

Denna forskning tyder på att vi förr eller senare kan kontrollera dessa besvärliga virvlar helt enkelt genom att designa ytor med rätt atomär arkitektur. Ingen avancerad ingenjörskonst krävs – låt bara atomerna göra jobbet.

Det är de små sakerna som räknas

Jag älskar berättelser som denna eftersom de påminner oss om hur mycket otroliga saker som händer på skalor vi inte ens kan se. Ett atom. Ett litet steg. Och plötsligt har vi ett nytt sätt att potentiellt tämja kvantvärlden.

Vetenskap känns ibland som att allt handlar om att bygga större saker – kraftfullare teleskop, större kolliderare, större experiment. Men här kom genombrottet genom att man lade märke till något oändligt litet.

Nästa gång någon säger till dig att storleken inte spelar någon roll, kan du peka dem mot denna forskning. I kvantvärlden kan ett enda atom vara nyckeln till en mer hållbar framtid.

Källa: ScienceDaily