Jeden atom změnil všechno

Představte si toto: Držíte materiál tak tenký, že je v podstatě dvourozměrný, a někde uvnitř něj se točí malé kvantové víry. Nyní si představte, že byste těmito víry mohli ovládat jako dirigent dirigující orchestr – jen díky tomu, že povrch je téměř neviditelný.

To je přesně to, co objevili vědci z Japonského národního ústavu pro materiálové vědy, a upřímně? Fakt, že něco tak malého může mít tak velký dopad, mě jako vědeckého nadšence prostě rozes mừngí.

Na čem je tak zásadní ta věc s víry?

Pojďme se na chvíli vrátit zpět. Supervodiviny jsou ty neuvěřitelné materiály, které dokážou vést elektřinu s doslova nulovým odporem – žádné teplo, žádná ztracená energie, vůbec nic. Háček? Fungují pouze tehdy, když jsou extrémně studené, obvykle chladnější než vesmír. Ale když už fungují, jsou magické.

Tady to začíná být složité. I u supervodiviny existují tito malí troublemáři nazvaní kvantové vortexy (vortexy jsou v češtině víry). Vznikají všude tam, kde magnetická pole prostupují materiálem, a když se začnou pohybovat, ve skutečnosti vytvářejí odpor – čímž ničí to, co dělá supervodiviny výjimečnými.

Je to jako mít auto, které ujede 500 mil na galon, ale nějakí skřítci neustále dávají klacky do kol.

Atomové schůdky, které nikdo nečekal

Výzkumný tým vedený Takashim Uchihashim zkoumal ultratenkou supervodivinu – mluvíme o materiálu tak tenkém, že sotva splňuje podmínky pro trojrozměrnost. Všimli si, že povrch má drobné schůdky, z nichž každá je vysoká právě jeden jediný atom.

Teď byste si řekli, že schůdka vysoká jeden atom nebude nijak zásadní. Ukázalo se ale, že tyto malé schůdky fungují jako mikroskopické kolejnice.

Tým zjistil, že vortexy mohou po těchto schůdkách cestovat více než 1 000krát snadněji, než kdyby musely překonávat směr kolmý k nim. V kvantovém světě to není jen „docela dobré zlepšení“ – je to jako přechod z plazení se v dopravní špičce na klidnou dálnici.

Ovládání neovladatelného

Ale tohle je to, co mě na tomto výzkumu opravdu nadchlo: vědci mohou tento efekt skutečně přizpůsobit.

Úpravou teploty nebo síly magnetického pole mohou změnit, jak silně vortexy sledují tyto atomové stopy. Existuje dokonce „zlatá střední cesta“ – mezi 0,10 a 0,20 teslem magnetického pole – kde vortexy volně proudí podél schůdek, aniž by se zasekly na nedokonalostech materiálu.

Při nejnižších teplotách se stalo něco ještě podivnějšího. Vortexy se začaly pohybovat pomocí kvantového tunelování, což je v podstatě stav, kdy částice ignorují pravidla a prostupují překážkami, které by je měly zastavit (a to slovo „zastavit“ zde záměrně používám).

Proč by vás to mělo zajímat?

Zde je ta praktická stránka veškerého tohoto kvantového podivnosti.

Technologie supervodiviny se již používá v MRI přístrojích, částicových urychlovačích a v některých experimentálních vlakách, které levitují na magnetech. Ale představte si, kdybychom tyto technologie mohli učinit efektivnějšími, spolehlivějšími a možná – jen možná – praktickými pro každodenní elektroniku.

Váš telefon, váš notebook, datová centra požírající obrovské množství energie – to vše by teoreticky mohlo těžit z komponentů z supervodiviny. Mluvíme o zařízeních, která téměř nevytvářejí žádné teplo a místo toho jen šetří energii.

Tento výzkum naznačuje, že bychom v budoucnu mohli ovládat ty otravné vortexy jednoduše tím, že navrhneme povrchy se správnou atomovou architekturou. Žádné složité inženýrství není potřeba – stačí nechat práci udělat atomy.

Jde o ty drobnosti

Závisl na příběhy jako tento, protože nám připomínají, kolik neuvěřitelných věcí se děje v měřítkách, které ani nevidíme. Jeden atom. Jedna malá schůdka. A náhle máme nový způsob, jak potenciálně zkrotit kvantový svět.

Věda někdy působí tak, že jde jen o stavbu něčeho většího – silnější teleskopy, větší urychlovače, větší experimenty. Zde však průlom přišel díky pozornosti věnované něčemu nekonečně malému.

Až příště někdo řekne, že velikost není důležitá, můžete mu ukázat na tento výzkum. V kvantovém světě může být jediný atom právě klíčem k udržitelnější budoucnosti.

Zdroj: ScienceDaily