Jeden atom zmienił wszystko

Wyobraź sobie to: trzymasz materiał tak cienki, że jest on w zasadzie dwuwymiarowy, a gdzieś w jego wnętrzu wirują maleńkie kwantowe wiry. Teraz wyobraź sobie, że możesz kierować tymi wirami niczym dyrygent orkiestrą — wystarczy, że powierzchnia będzie ledwie wyczuwalna.

Właśnie to odkryli naukowcy z japońskiego Narodowego Instytutu Inżynierii Materiałowej i, szczerze mówiąc? Fakt, że coś tak małego może mieć tak wielki wpływ, sprawia, że mój wewnętrzny naukowiec wpada w prawdziwy zachwyt.

O co tyle krzyku z tymi wirami?

Pozwól, że na chwilę wrócę do początku. Nadprzewodniki to te niesamowite materiały, które potrafią przewodzić prąd przy dosłownie zerowym oporze — bez ciepła, bez marnowania energii, bez niczego. Haczyk? Działają tylko wtedy, gdy są ekstremalnie zimne, zazwyczaj zimniejsze niż w przestrzeni kosmicznej. Ale kiedy już zaczną działać, są magiczne.

I tu zaczynają się schody. Nawet w nadprzewodnikach występują tacy mali rozrabiacy, zwani wirami kwantowymi. Powstają wszędzie tam, gdzie pola magnetyczne przebijają się przez materiał, a kiedy zaczynają się przemieszczać, tworzą opór — niszcząc to, co czyni nadprzewodniki wyjątkowymi.

To tak, jakbyś miał samochód spalający 10 litrów na 100 kilometrów, z wyjątkiem tego, że jakieś gremliny ciągle wkładają patyki w koła.

Atomowe kroki, których nikt się nie spodziewał

Zespół badawczy pod kierownictwem Takashi Uchihashiego badał ultracienki nadprzewodnik — mówimy o materiale tak cienkim, że ledwo kwalifikuje się jako trójwymiarowy. Zauważyli, że powierzchnia posiada maleńkie stopnie, z których każdy ma wysokość zaledwie jednego atomu.

Pomyślisz pewnie, że stopień o wysokości jednego atomu to, no cóż, żadna wielka rzecz. Okazuje się jednak, że te małe stopnie działają jak mikroskopijne tory kolejowe.

Zespół odkrył, że wiry mogą poruszać się wzdłuż tych stopni ponad 1000 razy łatwiej niż w poprzek nich. W świecie kwantowym to nie jest tylko „niezła poprawa” — to tak, jakby przejść z czołgania się w korku do jazdy autostradą przy braku ruchu.

Kontrola nad niekontrolowanym

Ale to właśnie to sprawiło, że ten projekt tak mnie zafascynował: naukowcy mogą właściwie regulować ten efekt.

Poprzez regulację temperatury lub siły pola magnetycznego mogą zmieniać, jak silnie wiry podążają tymi atomowymi torami. Istnieje nawet „złoty środek” — między 0,10 a 0,20 tesli pola magnetycznego — w którym wiry swobodnie płyną wzdłuż stopni, nie blokując się na niedoskonałościach materiału.

W najniższych temperaturach wydarzyło się coś jeszcze dziwniejszego. Wiry zaczęły poruszać się poprzez tunelowanie kwantowe, czyli sytuację, w której cząsteczki ignorują zasady i przenikają przez bariery, które powinny je zatrzymać (dosłownie i w przenośni).

Dlaczego powinno Cię to obchodzić?

Oto praktyczna strona tego całego kwantowego szaleństwa.

Technologia nadprzewodząca jest już wykorzystywana w aparatach MRI, akceleratorach cząstek i niektórych eksperymentalnych pociągach unoszących się na magnesach. Ale wyobraź sobie, gdybyśmy mogli sprawić, że te technologie staną się bardziej wydajne, bardziej niezawodne i być może — tylko być może — praktyczne w codziennej elektronice.

Twój telefon, Twój laptop, centra danych zużywające ogromne ilości energii — wszystkie te urządzenia mogłyby teoretycznie skorzystać na komponentach nadprzewodzących. Mówimy o urządzeniach, które prawie w ogóle nie generują ciepła i „piją” energię zamiast ją „pożerać”.

To badanie sugeruje, że możemy w końcu kontrolować te uciążliwe wiry, po prostu projektując powierzchnie o odpowiedniej architekturze atomowej. Bez skomplikowanej inżynierii — po prostu pozwalając atomom wykonać pracę.

Liczą się detale

Uwielbiam historie tego typu, ponieważ przypominają nam, jak wiele niesamowitych rzeczy dzieje się w skalach, których nawet nie widzimy. Jeden atom. Jeden malutki stopień. I nagle mamy nowy sposób na potencjalne okiełznanie kwantowego świata.

Nauka czasem sprawia wrażenie, jakby chodziło tylko o budowanie coraz większych rzeczy — potężniejszych teleskopów, większych koliderów, gigantycznych eksperymentów. Tutaj jednak przełom nastąpił dzięki zwróceniu uwagi na coś nieskończenie małego.

Następnym razem, gdy ktoś powie Ci, że rozmiar się nie liczy, możesz wskazać mu te badania. W świecie kwantowym pojedynczy atom może okazać się kluczem do bardziej zrównoważonej przyszłości.

Źródło: ScienceDaily