Ένα Άτομο Άλλαξε Όλα

Φανταστείτε το εξής: Κρατάτε ένα υλικό τόσο λεπτό που είναι ουσιαστικά δισδιάστατο, και κάπου μέσα σε αυτό, μικροσκοπικοί κβαντικοί σπίραλάδες περιστρέφονται γύρω τους. Τώρα φανταστείτε ότι θα μπορούσατε να οδηγήσετε αυτούς τους σπίραλάδες σαν έναν μαέστρο που διευθύνει μια ορχήστρα — απλώς επειδή διαθέτετε μια επιφάνεια που είναι σχεδόν ανύπαρκτη.

Αυτό ακριβώς ανακάλυψαν οι ερευνητές στο Εθνικό Ινστιτούτο Επιστημών Υλικών της Ιαπωνίας, και ειλικρινά; Το γεγονός ότι κάτι τόσο μικρό μπορεί να έχει τόσο μεγάλη επίδραση κάνει τον εσωτερικό μου επιστημονικό «νερδ» να τρελαίνεται από χαρά.

Ποιο είναι λοιπόν το ζήτημα με τους δίνηδες;

Ας γυρίσουμε λίγο πίσω. Οι υπεραγωγοί είναι εκείνα τα απίστευτα υλικά που μπορούν να μεταφέρουν ηλεκτρισμό με μηδενική αντίσταση — χωρίς θερμότητα, χωρίς σπαताλούμενο ενέργεια, τίποτα. Το μειονέκτημα; Λειτουργούν μόνο όταν είναι υπερβολικά κρύους, συνήθως πιο κρύους από το διάστημα. Αλλά όταν λειτουργούν, είναι μαγικοί.

Εδώ είναι που τα πράγματα γίνονται περίπλοκα. Ακόμα και στους υπεραγωγούς, υπάρχουν αυτοί οι μικροί προβληματιστοί που ονομάζονται κβαντικοί δίνηδες. Δημιουργούνται παντού εκεί όπου τα μαγνητικά πεδία διαπερνούν το υλικό, και όταν αρχίζουν να κινούνται, δημιουργούν στην πραγματικότητα αντίσταση — εξοντώνοντας ακριβώς αυτό που κάνει τους υπεραγωγούς ξεχωριστούς.

Είναι σαν να έχεις ένα αυτοκίνητο που καίει ελάχιστο καύσιμο, εκτός κι αν κάποιοι γκρεμλιν συνεχώς βάζουν ξύλα στις ρόδες.

Τα Ατομικά Βήματα που Κανείς δεν Περίμενε

Η ομάδα ερευνητών, υπό την ηγεσία του Takashi Uchihashi, μελετούσε έναν υπεραγωγο να εξαιρετικά λεπτό — μιλάμε για ένα υλικό τόσο λεπτό που μόλις προσεγγίζει την τρισδιάστατη μορφή. Παρατήρησαν ότι η επιφάνεια είχε μικροσκοπικά σκαλοπάτια, το καθένα ύψους μόλις ενός ατόμου.

Τώρα, θα σκεπτόσασταν ότι ένα σκαλοπάτι ύψους ενός ατόμου δεν θα ήταν, λοιπόν, μεγάλη υπόθεση. Αποτέλεσμα; Αυτά τα μικρά σκαλοπάτια λειτουργούν σαν μικροσκοπικές σιδηροδρομικές τροχιάδες.

Η ομάδα ανακάλυψε ότι οι δίνηδες μπορούσαν να ταξιδεύουν κατά μήκος αυτών των σκαλοπατιών 1.000 φορές πιο εύκολα από ό,τι μπορούσαν να τα διασχίσουν κάθετα προς αυτά. Στον κβαντικό κόσμο, αυτό δεν είναι απλώς μια «πολύ καλή βελτίωση» — είναι σαν να περνάς από το να σέρνεσαι μέσα στην κίνηση στο να ταξιδεύεις άνετα σε μια άδεια λεωφορείωση.

Ελέγχοντας το Απροσδιόριστο

Αλλά αυτό που με ενθ erfüllました πραγματικά σε αυτή την έρευνα: οι επιστήμονες μπορούν στην πραγματικότητα να ρυθμίσουν αυτό το φαινόμενο.

Ρυθμίζοντας τη θερμοκρασία ή την ένταση του μαγνητικού πεδίου, μπορούν να αλλάξουν το πόσο δυνατά ακολουθούν οι δίνηδες αυτές τις ατομικές τροχιές. Υπάρχει ακόμα και ένα ιδανικό σημείο — μεταξύ 0,10 και 0,20 tesla μαγνητικού πεδίου — όπου οι δίνηδες ρέουν ελεύθερα κατά μήκος των σκαλοπατιών χωρίς να κολλάνται στις ατέλειες του υλικού.

Στις πιο χαμηλές θερμοκρασίες, συνέβη κάτι ακόμα πιο περίεργο. Οι δίνηδες άρχισαν να κινούνται μέσω κβαντικής σήραγγας (quantum tunneling), που είναι ουσιαστικά όταν τα σωματίδια αγνοούν τους κανόνες και περνούν μέσα από εμπόδια που θα έπρεπε να τα σταματήσουν απότομα.

Γιατί σας αφορά;

Εδώ είναι η πρακτική πλευρά όλης αυτής της κβαντικής παράδοξης.

Η τεχνολογία υπεραγωγών χρησιμοποιείται ήδη σε μηχανές MRI, επιταχυντές σωματιδίων και ορισμένους πειραματικούς τρένους που αιωρούνται πάνω σε μαγνήτες. Αλλά φανταστείτε αν μπορούσαμε να κάνουμε αυτές τις τεχνολογίες πιο αποδοτικές, πιο αξιόπιστες και ίσως — ίσως μόνο ίσως — πρακτικές για την καθημερινή ηλεκτρονική.

Το κινητό σας, ο φορητός σας υπολογιστής, τα κέντρα δεδομένων που καταναλώνουν τεράστιες ποσότητες ενέργειας — όλα αυτά θα μπορούσαν θεωρητικά να ωφεληθούν από υπεραγώγιμα εξαρτήματα. Μιλάμε για συσκευές που σχεδόν δεν παράγουν θερμότητα και καταναλώνουν ελάχιστη ενέργεια αντί να την καίνε.

Αυτή η έρευνα υποδηλώνει ότι μπορεί τελικά να ελέγχουμε αυτούς τους ενοχλητικούς δίνηδες απλώς σχεδιάζοντας επιφάνειες με τη σωστή ατομική αρχιτεκτονική. Χωρίς περίπλοκη μηχανική — απλώς αφήνοντας τα άτομα να κάνουν τη δουλειά τους.

Είναι τα Μικρά Πράγματα

Αγαπώ ιστορίες όπως αυτή, γιατί μας υπενθυμίζουν πόσα απίστευτα πράγματα συμβαίνουν σε κλίμακες που δεν μπορούμε καν να δούμε. Ένα άτομο. Ένα μικροσκοπικό σκαλοπάτι. Και ξαφνικά, έχουμε έναν νέο τρόπο να εξοπλίσουμε τον κβαντικό κόσμο.

Η επιστήμη μερικές φορές μοιάζει να αφορά μόνο το να χτίζουμε μεγαλύτερα πράγματα — πιο ισχυρά τηλεσκόπια, μεγαλύτερους επιταχυντές, μεγαλύτερα πειράματα. Αλλά εδώ, η ανακάλυψη ήρθε από την προσοχή σε κάτι απειροελάχιστο.

Την επόμενη φορά που κάποιος θα σας πει ότι το μέγεθος δεν έχει σημασία, μπορείτε να του δείξετε αυτή την έρευνα. Στον κβαντικό κόσμο, ένα μόνο άτομο μπορεί να είναι το κλειδί για ένα πιο βιώσιμο μέλλον.

Πηγή: ScienceDaily