Ett atom endret alt

Se for deg dette: Du holder et materiale som er så tynt at det i praksis er todimensjonalt, og et sted inni det snurrer små kvantevirvelvinder rundt. Se for deg at du kunne styre disse virvelvindene som en dirigent som leder et orkester – bare ved å ha en overflate som knapt er der.

Det er nøyaktig hva forskere ved Japans National Institute for Materials Science har oppdaget, og ærlig talt? Det at noe så lite kan ha en så stor innvirkning, gjør den indre vitenskapsnerden i meg helt begeistret.

Hva er greia med virvler?

La meg ta et skritt tilbake. Superledere er disse utrolige materialene som kan lede elektrisitet med bokstavelig talt null motstand – ingen varme, ingen sløsing med energi, ingenting. Haken? De fungerer bare når de er superkalde, vanligvis kaldere enn verdensrommet. Men når de først fungerer, er de magiske.

Det er her det blir komplisert. Selv i superledere finnes det disse små problembarna som kalles kvantevirvler. De oppstår der magnetfelt trenger gjennom materialet, og når de begynmer å bevege seg rundt, skaper de faktisk motstand – noe som ødelegger selve det som gjør superledere spesielle.

Det er som å ha en bil som går på 200 kilometer på literen, bortsett fra at noen smånisser stadig stikker pinner i hjulene.

De atomære trinnene ingen forventet

Forskerteamet, ledet av Takashi Uchihashi, studerte en ultratynn superleder – vi snakker om et materiale som er så tynt at det knapt kan kalles tredimensjonalt. De la merke til at overflaten hadde små trinn, der hvert trinn bare var ett enkelt atom høyt.

Nå ville man tro at et trinn på ett atom ikke var noen stor sak. Resultatet? Disse små trinnene fungerer som mikroskopiske jernbanespor.

Teamet fant ut at virvler kunne bevege seg langs disse trinnene over 1000 ganger lettere enn de kunne krysse dem vinkelrett. I kvanteverdenen er ikke det bare en "ganske god forbedring" – det er som å gå fra å krabbe gjennom køen til å cruise på en tom motorvei.

Å kontrollere det ukontrollerbare

Men det som virkelig gjorde meg begeistret for denne forskningen, var at forskerne faktisk kan finjustere denne effekten.

Ved å justere temperatur eller magnetfeltstyrke, kan de endre hvor sterkt virvlene følger disse atomsporene. Det finnes til og med et "sweet spot" – mellom 0,10 og 0,20 tesla magnetfelt – hvor virvlene flyter fritt langs trinnene uten å sette seg fast i urenheter i materialet.

Ved de kaldeste temperaturene skjedde noe enda mer merkelig. Virvlene begynte å bevege seg via kvantetunnelering, som i bunn og grunn er når partikler ignorerer reglene og passerer gjennom barrierer som egentlig burde stoppet dem (ordspillet er bevisst).

Hvorfor bør du bry deg?

Her er den praktiske siden av alt dette kvante-rasket.

Superledende teknologi brukes allerede i MR-maskiner, partikkelakseleratorer og enkelte eksperimentelle tog som svever på magneter. Men forestill deg om vi kunne gjort disse teknologiene mer effektive, mer pålitelige og kanskje – bare kanskje – praktiske for hverdagselektronikk.

Telefonen din, laptopen din, datasentre som forbruker enorme mengder strøm – alle disse kan teoretisk sett dra nytte av superledende komponenter. Vi snakker om enheter som knapt genererer varme og som nipper til energi i stedet for å sluke den.

Denne forskningen tyder på at vi til slutt kan kontrollere disse plagsomme virvlene bare ved å designe overflater med den rette atomstrukturen. Ingen avansert ingeniørkunst er nødvendig – bare la atomene gjøre jobben.

Det er de små tingene som teller

Jeg elsker historier som denne fordi de minner oss om hvor mye utrolige ting som skjer på skalaer vi ikke engang kan se. Ett atom. Ett lite trinn. Og plutselig har vi en ny måte å potensielt temme kvanteverdenen på.

Vitenskap føles noen ganger som om alt handler om å bygge større ting – kraftigere teleskoper, større kollidere, større eksperimenter. Men her kom gjennombruddet ved å legge merke til noe uendelig lite.

Neste gang noen forteller deg at størrelse ikke betyr noe, kan du peke dem mot denne forskningen. I kvanteverdenen kan ett enkelt atom være nøkkelen til en mer bærekraftig fremtid.

Kilde: ScienceDaily