Един атом промени всичко

Представете си следното: държите материал, толкова тънок, че е съществено двуизмерен, а някъде вътре в него се въртят малки квантови вихри. Сега си представете, че можете да управлявате тези вихри като диригент, водещ оркестър — само чрез повърхност, която едва съществува.

Точно това откриха изследователите от Националния институт за материалознание в Япония и, честно казано? Фактът, че нещо толкова малко може да има толкова голямо влияние, кара вътрешния ми научен фен да се развълнува изключително много.

Каква е голямата важност на вихрите?

Нека се върнем малко назад. Сверхпроводниците са тези невероятни материали, които могат да пренасят електричество буквално с нулев отпор — без топлина, без загубена енергия, нищо. Уловката? Те работят само когато са супер студени, обикновено по-студени от открития космос. Но когато работят, те са магични.

Тук идва сложността. Дори в сверхпроводниците има тези малки разрушители, наречени квантови вихри. Те се създават навсякъде, където магнитните полета пробиват през материала, и когато започнат да се движат, те всъщност създават съпротивление — убивайки именно това, което прави сверхпроводниците специални.

Това е като да имаш кола, която изминава 800 км на литър, но някакви гремлини постоянно поставят пръчки в колелата ѝ.

Атомните стъпки, които никой не очакваше

Изследователският екип, ръководен от Такаши Учихаши, изучаваше ултратънък сверхпроводник — говорим за материал, толкова тънок, че едва ли се квалифицира като триизмерен. Те забелязаха, че повърхността има малки стъпки, всяка от които е висока само един атом.

Сега, бихте си помислили, че стъпка с височина от един атом няма да е, ну... голям проблем. Оказва се обаче, че тези малки стъпки действат като микроскопични железопътни релси.

Екипът откри, че вихрите могат да се движат по тези стъпки над 1000 пъти по-лесно, отколкото биха могли да преминат перпендикулярно на тях. В квантовия свят това не е просто „достатъчно добро подобрение“ — това е като да преминеш от пълзене през задръстване към пътуване по празен автострат.

Контрол върху неподконтролното

Но ето какво наистина ме вълнуваше в това изследване: учените всъщност могат да настроят този ефект.

Чрез регулиране на температурата или силата на магнитното поле, те могат да променят силата, с която вихрите следват тези атомни релси. Съществува дори „златно срединно“ състояние — между 0,10 и 0,20 тесла магнитно поле — при което вихрите текат свободно по стъпките, без да се забиват в несъвършенствата на материала.

При най-ниските температури се случи нещо още по-странно. Вихрите започнаха да се движат чрез квантово тунелно преминаване, което е основно процесът, при който частиците игнорират правилата и преминават през бариери, които биха трябвало да ги спрат напълно (игра на думи е напълно умислена).

Защо трябва да ви интересува?

Ето практичната страна на цялата тази квантова странност.

Сверхпроводниковата технология вече се използва в апаратите за ЯМР, ускорителите на частици и някои експериментални влакове, които левитират върху магнити. Но си представете, ако можем да направим тези технологии по-ефективни, по-надеждни и може — само може — практични за ежедневната електроника.

Вашият телефон, вашият лаптоп, центровете за данни, консумиращи огромни количества енергия — теоретично всички те биха могли да се възползват от сверхпроводникови компоненти. Говорим за устройства, които почти не генерират топлина и „пият“ енергия, вместо да я „поглъщат“.

Това изследване предполага, че може би накрая ще успеем да овладеем тези досадни вихри, просто проектирайки повърхности с правилната атомна архитектура. Без сложна инженерия — просто оставете атомите да свършат работата.

Важни са малките неща

Обичам истории като тази, защото ни напомнят колко невероятни неща се случват в мащаби, които дори не можем да видим. Един атом. Една малка стъпка. И внезапно имаме нов начин потенциално да овладеем квантовия свят.

Науката понякога изглежда като изцяло изграждане на по-големи неща — по-мощни телескопи, по-големи коллайдери, по-големи експерименти. Но тук пробивът дойде от обръщането на внимание към нещо безкрайно малко.

Следващият път, когато някой ви каже, че размерът няма значение, можете да го насочите към това изследване. В квантовия свят един единствен атом може да бъде ключът към по-устойчиво бъдеще.

Източник: ScienceDaily