Yksi atomi muutti kaiken

Kuvittele tämä: pitelet kädessäsi materiaalia, joka on niin ohut, että se on käytännössä kaksiulotteinen, ja jossain sen sisällä pyörii pieniä kvanttipyörteitä. Kuvittele nyt, että voisit ohjata näitä pyörteitä kuin kapellimestari ohjaa orkesteria — pelkästään olemalla käytössä pinta, jota ei juuri edes ole.

Tämän juuri löysivät tutkijat Japanin kansallisesta materiaalitieteellisestä instituutista, ja rehellisesti sanottuna? Se fakta, että näin pienellä asialla voi olla näin suuri vaikutus, saa sisäisen tiedenörttini aivan innoissaan.

Mikä on se suuri juttu näissä vorteksseissä?

Annetaanpa hetki aikaa palata taaksepäin. Superjohteet ovat niitä uskomattomia materiaaleja, jotka voivat johtaa sähköä kirjaimellisesti ilman vastusta — ei lämpöä, ei hukkaenergiaa, ei mitään. Mutta tässä on takka: ne toimivat vain, kun ne ovat superkylmiä, yleensä kylmempää kuin avaruudessa. Mutta kun ne toimivat, ne ovat maagisia.

Tässä kohtaa asiat monimutkaistuvat. Jopa superjohteissa on näitä pieniä häirikköjä, joita kutsutaan kvanttivorteksseiksi (pyörteiksi). Ne syntyvät kaikkialle, missä magneettikentät tunkeutuvat materiaalin läpi, ja kun ne alkavat liikkua, ne luovat itse asiassa vastusta — mikä tappaa juuri sen asian, joka tekee superjohteista erityisiä.

Se on kuin autolla, joka kulkee 500 mailia per gallona, mutta jolle joku gremlini jatkuvasti laittaa tikkuja renkaisiin.

Atomitason askeleet, joita kukaan ei odottanut

Takashi Uchihashin johtama tutkimusryhmä tutki ultrathin superjohtea — puhumme materiaalista, joka on niin ohut, että se tuskin täyttää kolmiulotteisen materiaalin kriteerit. He huomasivat, että pinnassa oli pieniä askelmia, joista jokainen oli vain yhden atomin korkuinen.

Nyt ajattelisit varmaan, että atominkorkuinen askelma ei ole suuri juttu. Mutta paljastui, että nuo pienet askeleet toimivat kuin mikroskooppiset rautatiekiskot.

Ryhmä huomasi, että vorteksit voivat liikkua näitä askelmia pitkin yli 1 000 kertaa helpommin kuin ne voivat liikkua niitä vastaan kohtisuoraan. Kvanttimaailmassa se ei ole vain "melko hyvä parannus" — se on kuin siirtyisi ryömimään liikenteen läpi tasaiselle valtaväylälle.

Hallitsemattoman hallitseminen

Mutta tässä on se, mikä todella innostutti minua tästä tutkimuksesta: tutkijat voivat itse asiassa säätää tätä ilmiötä.

Säätämällä lämpötilaa tai magneettikentän voimakkuutta, he voivat muuttaa sitä, kuinka voimakkaasti vorteksit seuraavat näitä atomikiskoja. On olemassa jopa optimaalinen kohta — magneettikentän ollessa 0,10–0,20 teslaa — jossa vorteksit virtaavat vapaasti askelmia pitkin ilman, että ne juuttuvat materiaalin epätasaisuuksiin.

Kylmimmillä lämpötiloilla tapahtui jotain vielä oudompaa. Vorteksit alkoivat liikkua kvanttitunneloituksen kautta, mikä tarkoittaa käytännössä sitä, että hiukkaset jättävät säännöt huomiotta ja kulkevat esteiden läpi, joiden pitäisi pysäyttää ne kylmiltään (sanaleikki on täysin tietoinen).

Miksi sinun pitäisi välittää?

Tässä on tämän kvanttivillityksen käytännön puoli.

Superjohtavaa tekniikkaa käytetään jo MRI-laitteissa, hiukkaskiihdyttimissä ja joissakin kokeellisissa junissa, jotka kelluvat magneettien varassa. Mutta kuvittele, jos voisimme tehdä näistä teknologioista tehokkaampia, luotettavampia ja ehkä — vain ehkä — käytännöllisiä jokapäiväiseen elektroniikkaan.

Puhelimesi, kannettava tietokoneesi, valtavia määriä tehoa kuluttavat datakeskukset — kaikki nämä voisivat teoriassa hyötyä superjohtavista komponenteista. Puhumme laitteista, jotka tuottavat tuskin lainkaan lämpöä ja sirottelevat energiaa sen sijaan, että ne söisivät sitä.

Tämä tutkimus viittaa siihen, että voisimme lopulta hallita nuo kiusalliset vorteksit yksinkertaisesti suunnittelemalla pintoja, joissa on oikea atomirakenne. Mitään hienoa tekniikkaa ei tarvita — annetaan atomien tehdä työ.

Kaikki on pienissä asioissa

Rakastan tällaisia tarinoita, koska ne muistuttavat meitä siitä, kuinka paljon uskomatonta tapahtuu mittakaavoissa, joita emme edes näe. Yksi atomi. Yksi pieni askel. Ja yhtäkkiä meillä on uusi tapa mahdollisesti kesyttää kvanttimaailma.

Tiede tuntuu joskus siltä, että sen pitäisi aina rakentaa suurempia asioita — tehokkaampia teleskooppeja, suurempia hiukkaskiihdyttimiä, suurempia kokeita. Mutta tässä läpimurto tuli siitä, että kiinnitettiin huomiota johonkin äärimmäisen pieneen.

Seuraavan kerran, kun joku sanoo sinulle, ettei koolla ole väliä, voit osoittaa hänet tähän tutkimukseen. Kvanttimaailmassa yksi ainoa atomi voi olla avain kestävämpään tulevaisuuteen.

Lähde: ScienceDaily