Один атом изменил всё

Представьте себе: вы держите в руках материал настолько тонкий, что он, по сути, является двумерным, а где-то внутри него вращаются крошечные квантовые вихри. А теперь представьте, что вы могли бы управлять этими вихрями, словно дирижер оркестром, — просто используя поверхность, которой почти не существует.

Именно это обнаружили исследователи из Национального института материаловедения Японии, и, честно говоря, тот факт, что нечто настолько малое может иметь такое огромное значение, приводит моего внутреннего фаната науки в полный восторг.

Так в чем же соль этих вихрей?

Давайте на секунду вернемся назад. Сверхпроводники — это те невероятные материалы, которые могут проводить электричество буквально с нулевым сопротивлением: без нагрева, без потери энергии, вообще без потерь. В чем подвох? Они работают только при сверхнизких температурах, обычно холоднее, чем в открытом космосе. Но когда они работают, это кажется магией.

И вот тут начинается сложность. Даже в сверхпроводниках существуют маленькие «раздражители», называемые квантовыми вихрями. Они возникают везде, где магнитное поле проникает сквозь материал, и когда они начинают двигаться, они создают сопротивление, убивая само свойство, которое делает сверхпроводники особенными.

Это как если бы у вас была машина, которая проезжает 800 километров на одном литре, но какие-то гремлины постоянно подкладывают палки в колеса.

Атомные шаги, которых никто не ожидал

Исследовательская группа под руководством Такаши Учихаши изучала ультратонкий сверхпроводник — мы говорим о материале настолько тонком, что он едва ли может считаться трехмерным. Они заметили, что на его поверхности есть крошечные ступеньки, высота каждой из которых составляет всего один атом.

Казалось бы, ступенька высотой в один атом — это не так уж и важно. Но оказалось, что эти маленькие ступеньки работают как микроскопические железнодорожные пути.

Команда обнаружила, что вихри могут перемещаться вдоль этих ступенек более чем в 1000 раз легче, чем поперек них. В квантовом мире это не просто «заметное улучшение» — это как переход от ползания в пробке к езде по пустому шоссе.

Укрощение непокорного

Но вот что по-настоящему меня зацепило в этом исследовании: ученые могут буквально настраивать этот эффект.

Изменяя температуру или напряженность магнитного поля, они могут регулировать, насколько сильно вихри следуют по этим атомным путям. Существует даже «золотая середина» — при магнитном поле от 0,10 до 0,20 тесла — когда вихри свободно текут вдоль ступенек, не застревая на несовершенствах материала.

При самых низких температурах происходит еще более странная вещь. Вихри начинают двигаться посредством квантового туннелирования — это когда частицы игнорируют правила и проходят сквозь барьеры, которые должны их остановить (каламбур здесь вполне уместен).

Почему вам это должно быть интересно?

Вот практическая сторона всей этой квантовой странности.

Сверхпроводниковые технологии уже используются в аппаратах МРТ, ускорителях частиц и некоторых экспериментальных поездах на магнитной подушке. Но представьте, если бы мы могли сделать эти технологии более эффективными, надежными и, возможно — только возможно — пригодными для повседневной электроники.

Ваш телефон, ваш ноутбук, дата-центры, потребляющие огромное количество энергии, — все это теоретически может выиграть от использования сверхпроводниковых компонентов. Мы говорим об устройствах, которые почти не выделяют тепла и «пьют» энергию по каплям вместо того, чтобы поглощать её огромными порциями.

Это исследование предполагает, что в конечном итоге мы сможем контролировать эти надоедливые вихри, просто проектируя поверхности с правильной атомной архитектурой. Не нужно сложной инженерии — просто позвольте атомам сделать работу за вас.

Всё дело в мелочах

Я обожаю такие истории, потому что они напоминают нам, сколько невероятных вещей происходит на масштабах, которые мы даже не можем увидеть. Один атом. Одна крошечная ступенька. И вдруг у нас появляется новый способ потенциально приручить квантовый мир.

Наука иногда кажется процессом создания всё более масштабных вещей: более мощных телескопов, более крупных коллайдеров, более грандиозных экспериментов. Но здесь прорыв произошел благодаря вниманию к чему-то бесконечно малому.

В следующий раз, когда кто-нибудь скажет вам, что размер не имеет значения, вы сможете указать ему на это исследование. В квантовом мире один-единственный атом может оказаться ключом к более устойчивому будущему.

Источник: ScienceDaily