Eén atoom veranderde alles

Stel je dit voor: je houdt een materiaal vast dat zo dun is dat het in feite tweedimensionaal is, en ergens daarbinnen draaien minuscule kwantumwervelwinden rond. Stel je nu voor dat je die wervelwinden zou kunnen sturen als een dirigent die een orkest leidt — simpelweg door een oppervlak te hebben dat er nauwelijks is.

Dat is precies wat onderzoekers van het Japanse National Institute for Materials Science hebben ontdekt, en eerlijk gezegd? Het feit dat iets dat zo klein is een dergelijke grote impact kan hebben, maakt mijn innerlijke wetenschapsnerd absoluut dolgelukkig.

Wat is er zo bijzonder aan vortices?

Laat me even een stapje terug doen. Supergeleiders zijn die ongelooflijke materialen die elektriciteit kunnen geleiden met letterlijk nul weerstand — geen hitte, geen verspilde energie, niets. De crux? Ze werken alleen als ze superkoud zijn, meestal kouder dan de ruimte. Maar wanneer ze werken, zijn ze magisch.

Hier wordt het ingewikkeld. Zelfs in supergeleiders zijn er deze kleine boelmakers genaamd kwantumvortices (wervels). Ze ontstaan waar magnetische velden door het materiaal heen prikken, en wanneer ze beginnen te bewegen, creëren ze eigenlijk weerstand — wat precies datgene vernietigt wat supergeleiders zo bijzonder maakt.

Het is alsof je een auto hebt die 800 kilometer op een liter rijdt, behalve dat er constant kleine koboldjes stokken in de wielen steken.

De atomaire stappen die niemand verwachtte

Het onderzoeksteam, geleid door Takashi Uchihashi, bestudeerde een ultradunne supergeleider — we hebben het over een materiaal dat zo dun is dat het nauwelijks als driedimensionaal kan worden beschouwd. Ze merkten op dat het oppervlak minuscule stapjes had, waarvan elk slechts één atoom hoog was.

Nu zou je denken dat een stapje van één atoom hoog wel meevalt. De realiteit? Die kleine stapjes werken als microscopische spoorrails.

Het team ontdekte dat vortices veel gemakkelijker langs deze stapjes konden reizen — meer dan 1.000 keer makkelijker dan wanneer ze er loodrecht op zouden moeten oversteken. In de kwantumwereld is dat niet zomaar een "behoorlijke verbetering" — dat is alsof je van kruipen in het verkeer overgaat naar cruisen op een lege snelweg.

Het onbeheersbare beheersen

Maar dit is wat me echt enthousiast maakte over dit onderzoek: de wetenschappers kunnen dit effect daadwerkelijk afstemmen.

Door de temperatuur of de sterkte van het magnetische veld aan te passen, kunnen ze veranderen hoe sterk de vortices deze atomaire rails volgen. Er is zelfs een "sweet spot" — tussen 0,10 en 0,20 tesla aan magnetisch veld — waarbij vortices vrij langs de stapjes stromen zonder vast te lopen op imperfecties in het materiaal.

Bij de koudste temperaturen gebeurde er iets nóg vreemders. De vortices begonnen te bewegen via kwantumtunneling, wat in feite betekent dat deeltjes de regels negeren en door barrières heen gaan die hen eigenlijk stil zouden moeten houden (woordgrapje absoluut bedoeld).

Waarom zou jij dit moeten boeien?

Hier is de praktische kant van al deze kwantum-vreemdheid.

Supergeleidende technologie wordt al gebruikt in MRI-scanners, deeltjesversnellers en sommige experimentele treinen die op magneten zweven. Maar stel je voor dat we deze technologieën efficiënter, betrouwbaarder en misschien — heel misschien — praktisch kunnen maken voor alledaagse elektronica.

Je telefoon, je laptop, datacenters die enorme hoeveelheden stroom verbruiken — al deze zaken zouden theoretisch kunnen profiteren van supergeleidende componenten. We hebben het over apparaten die nauwelijks warmte genereren en energie "sippen" in plaats van het te verspillen.

Dit onderzoek suggereert dat we die lastige vortices uiteindelijk zouden kunnen beheersen door simpelweg oppervlakken te ontwerpen met de juiste atomaire architectuur. Geen ingewikkelde techniek nodig — laat de atomen het werk doen.

Het zit in de kleine dingen

Ik hou van verhalen zoals dit, omdat ze ons eraan herinneren hoeveel ongelooflijke dingen er gebeuren op schalen die we niet eens kunnen zien. Eén atoom. Eén klein stapje. En plotseling hebben we een nieuwe manier om de kwantumwereld potentieel te temmen.

Wetenschap voelt soms alsof het alleen gaat om het bouwen van grotere dingen — krachtigere telescopen, grotere colliders, grotere experimenten. Maar hier kwam de doorbraak juist door aandacht te besteden aan iets dat oneindig klein is.

De volgende keer dat iemand je vertelt dat grootte er niet toe doet, kun je ze naar dit onderzoek wijzen. In de kwantumwereld zou één enkel atoom wel eens de sleutel kunnen zijn tot een duurzamere toekomst.

Bron: ScienceDaily