Egyetlen atom megváltoztatta mindent

Képzeld el: egy olyan anyagot fogsz tartani, amely annyira vékony, hogy tulajdonképpen kétdimenziós, és valahol belül apró kvantum-virlgok forognak. Most képzeld el, ha ezeket a viharokat úgy irányíthatnád őket, mint egy zongorista vezérli a zenekart – egyszerűen azért, mert van egy felület, amely alig is létezik.

Pontosan ezt fedezte fel a japán Nemzeti Anyagkutató Intézetének kutatói, és őszintén szólva? Az a tény, hogy valami ilyen kicsi ilyen hatalmas hatással rendelkezhet, teljesen elszalad a tudományrajongó szívemben.

Mi a baj a vortesszekkel?

Hagyj kicsit visszalépni. A szuperconductoresek (superconductors) azok az incredible anyagok, amelyek szó szerint nulla ellenállásal képesek áramot vinni – nincs hő, nincs elveszett energia, semmi. A csavar? Csak akkor működnek, ha rendkívül hidegek, általában a világűrnél is hidegebbek. De amikor működnek, mágikusak.

Itt jön a bonyolult rész. Még a szuperconductoresekben is vannak ezek a kis bajnokok, amelyeket kvantum-vortesszeknek (quantum vortices) nevezünk. Ott jönnek létre, ahol a mágneses mágneses mezők áttörnek az anyagon, és amikor elmozdulni kezdenek, valójában ellenállást keltenek – elpusztítva pont azt a dolgot, ami a szuperconductoreseket különlegessé teszi.

Olyan ez, mintha egy olyan autód lenne, amely 500 mérföldet megy egy gallonra, de van valami apró szelíd, aki folyamatosan fás akadályokat helyez a kerekeid alá.

Az atomi lépések, amelyeket senki sem várt

A Takashi Uchihashi vezette kutatócsoport egy ultravékony szuperconductores anyagot tanulmányozott – egy olyan anyagról van szó, amely annyira vékony, hogy alig qualifiesálható háromdimenziósnak. Dostálták, hogy a felületen apró lépcsők vannak, amelyek mindegyike csak egyetlen atom magas.

Most azt gondolhatnád, hogy egy atommagas lépcső nem számít nagy dolgnak. Kiderült? Ezek a kis lépcsők úgy működnek, mint a mikroszkopikus vasúti sínek.

A csapat azt találta ki, hogy a vortesszek 1000-szer könnyebben haladnak el ezek along a lépcsők mentén, mintsem képesek lenne merőlegesen átátszeni őket. A kvantumvilágban ez nem csak egy „rendkívül jó fejlesztés” – ez olyan, mintha a forgalomban kúszó autótől egy üres autópályán pörögve mennél.

Az irányíthatatlan irányítása

De ez az, ami igazán izgalmassá tette számomra ezt a kutatást: a tudósok valójában beállíthatják ezt a hatást.

A hőmérséklet vagy a mágneses mező erejének módosításával képesek megváltoztatni, mennyire követik a vortesszek ezeket az atomi síneket. Van még egy „arany közepű” pont is – 0,10 és 0,20 tesla közötti mágneses mezőerő –, ahol a vortesszek szabadon áramlanak a lépcsők mentén anélkül, hogy elakadnának az anyag apró hibáin.

A leghidegebb hőmérsékleten még valami még furcsább történt. A vortesszek a kvantum-tunnelezés (quantum tunneling) útján kezdtek el mozogni, ami alapvetően azt jelenti, hogy a részecskék figyelmen kívül hagyják a szabályokat, és átmennek olyan akadályokon, amelyeknek meg kellene állniuk (a szóvicc pedig szándékos).

Miért kell, hogy érdekeljen?

Íme ennek a kvantum-furcsaságnak a gyakorlati oldala.

A szuperconductores technológia már alkalmazásban van az MRI-gépeknél, a részecske-gyorsítóknél és néhány kísérleti vonatnál, amelyek mágnesek fölött lebegnek. De képzeld el, ha hatékonyabbá, megbízhatóbbá, és talán – csak talán – a mindennapi elektronikához gyakorlikábbá tehetnénk ezeket a technológiákat.

A telefonod, a laptopod, a hatalmas mennyiségű energiát fogyasztó adatközpontok – mind ez elméletben profitálhatna a szuperconductores alkatrészekből. Olyan eszközökről beszélünk, amelyek alig termelnek hőt, és inkább „szüslögetik” az energiát, mintsem hogy elfogyasztják azt.

Ez a kutatás azt sugallja, hogy végső soron egyszerűen a megfelelő atomi architektúrával tervezett felületekkel irányíthatjuk majd ezeket a bosszantó vortesszeket. Nem kell bonyolult mérnöki tudás – csak hagyjuk, hogy az atomok végezzék el a munkát.

A apróságok jelentősége

Ilyen történeteket imádok, mert emlékeztetnek minket arra, hogy mennyi hihetetlen dolog történik olyan skálákon, amelyeket még a szemünkkel sem tudnánk látni. Egyetlen atom. Egy apró lépcső. És hirtelen új módszerünk van a kvantumvilág leigázására.

A tudomány néha úgy érezhet, mintha csak a nagyobb dolgok építéséről szólna – erősebb távlatokról, nagyobb részecskekelcsőkről, nagyobb kísérletekről. De itt a áttörés azért tört ki, mert figyelmet fordítottak valami végtelenül kicsire.

Legköbb, amikor valaki azt mondja neked, hogy a méret nem számít, rámutathatsz erre a kutatásra. A kvantumvilágban egyetlen atom lehet az útja egy fenntarthatóbb jövő felé.

Forrás: ScienceDaily