Οι επιστήμονες ξεκλειδώσουν ένα κβαντικό υπερμέταλλο για εξοικονόμηση ενέργειας

Καθώς η παγκόσμια ζήτηση για ταχύτερους υπολογισμούς και βιώσιμες ενεργειακές λύσεις αυξάνεται, η ανάγκη για ισχυρές αλλά ενεργειακά αποδοτικές ηλεκτρονικές συσκευές γίνεται ολοένα και πιο επείγουσα.

Πιο αποδοτικά ηλεκτρονικά συστήματα

Από τα smartphones και τα κέντρα δεδομένων μέχρι τα ηλεκτρικά οχήματα και τα κβαντικά συστήματα επόμενης γενιάς, η τεχνολογία που τροφοδοτεί την καθημερινή ζωή καταναλώνει τεράστια ενέργεια. Η μείωση αυτού του αποτυπώματος χωρίς να θυσιάζεται η απόδοση είναι μια πρόκληση που οι ερευνητές αγωνίζονται να λύσουν.

Φυσικοί στο Πανεπιστήμιο Rice έχουν κάνει ένα σημαντικό βήμα προς αυτή την κατεύθυνση. Με επικεφαλής τους Ming Yi και Emilia Morosan, η ομάδα ανέπτυξε ένα νέο κβαντικό υλικό με μοναδικές ηλεκτρονικές ιδιότητες που θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε εξαιρετικά αποδοτικά ηλεκτρονικά συστήματα.

Το υλικό, ένα μέταλλο κομβικής γραμμής Kramers, δημιουργήθηκε με την τελειοποίηση της ατομικής του δομής μέσω ακριβών χημικών αλλαγών.

«Η εργασία μας παρέχει μια σαφή πορεία για την ανακάλυψη και το σχεδιασμό νέων κβαντικών υλικών με επιθυμητές ιδιότητες για τα μελλοντικά ηλεκτρονικά», δήλωσε ο Yi, αναπληρωτής καθηγητής φυσικής και αστρονομίας.

Η κατασκευή του νέου υλικού

Η ομάδα Rice κατασκεύασε το υλικό εισάγοντας ίχνη ινδίου στο διθειούχο ταντάλιο (TaS₂), μια πολυστρωματική ένωση. Αυτή η μικρή τροποποίηση πυροδότησε μια μετατόπιση στη συμμετρία του κρυστάλλου, η οποία παρήγαγε εξαιρετικά ασυνήθιστη ηλεκτρονική συμπεριφορά.

Η βασική ανακάλυψη ήταν ένα σπάνιο μοτίβο ροής ηλεκτρονίων γνωστό ως συμπεριφορά κομβικής γραμμής Kramer. Στην τροποποιημένη δομή, ηλεκτρόνια με αντίθετα σπιν κινούνταν κατά μήκος ξεχωριστών διαδρομών μέσα στον χώρο της ορμής, παρόμοια με τα αυτοκίνητα που οδηγούν σε αντίθετες κατευθύνσεις σε έναν διαιρεμένο αυτοκινητόδρομο.

Αυτές οι διαδρομές παρέμειναν διακριτές μέχρι να συγκλίνουν στην κομβική γραμμή, μια προστατευμένη κατάσταση που επιτρέπει ασυνήθιστες ιδιότητες αγωγιμότητας.

«Ο σχεδιασμός ενός υλικού που να πληροί τις αυστηρές συνθήκες συμμετρίας που είναι απαραίτητες για αυτές τις ειδικές ιδιότητες ήταν δύσκολος, αλλά τα αποτελέσματα ήταν ανταποδοτικά», δήλωσε ο Morosan, ο οποίος είναι επίσης καθηγητής ηλεκτρολογίας και μηχανικής υπολογιστών και χημείας, και διευθυντής του Κέντρου Rice για Κβαντικά Υλικά.

Ένα υλικό που αντιστέκεται στην απώλεια ενέργειας

Εκτός από τα τοπολογικά του χαρακτηριστικά, το νέο υλικό έδειξε υπεραγώγιμες ιδιότητες, επιτρέποντάς του να μεταφέρει ηλεκτρικό ρεύμα χωρίς απώλεια ενέργειας. Αυτή η σπάνια διπλή συμπεριφορά, η τοπολογική δομή σε συνδυασμό με την υπεραγωγιμότητα, τοποθετεί το υλικό ως ισχυρό υποψήφιο για χρήση σε τοπολογικούς υπεραγωγούς.

Αυτά τα συστήματα θα μπορούσαν να επιτρέψουν πιο σταθερές πλατφόρμες κβαντικής υπολογιστικής και να βελτιώσουν την απόδοση μετάδοσης ισχύος. Οι ερευνητές προσάρμοσαν διάφορες συνθέσεις για να βελτιστοποιήσουν την απόδοση του υλικού. Ο στόχος τους ήταν να βελτιώσουν τόσο τα δομικά όσο και τα κβαντικά χαρακτηριστικά του μέσω ακριβούς χημικού σχεδιασμού.

Γεφυρώνοντας τη θεωρία και το πείραμα

Για να επικυρώσουν τα πειραματικά τους αποτελέσματα, η ομάδα χρησιμοποίησε θεωρητικούς υπολογισμούς πρώτων αρχών. Τα μοντέλα ταίριαζαν απόλυτα με τα εργαστηριακά δεδομένα, επιβεβαιώνοντας την ηλεκτρονική τοπολογία του υλικού και ενισχύοντας τα αποτελέσματα.

Αποκαλύπτοντας και ρυθμίζοντας αυτό το νέο μέταλλο κομβικής γραμμής Kramers, οι ερευνητές προώθησαν την κατανόηση των κβαντικών υλικών και πλησίασαν στην ανάπτυξη τεχνολογιών εξοικονόμησης ενέργειας επόμενης γενιάς.

«Αυτό το πρωτοποριακό έργο αποτελεί παράδειγμα του πνεύματος καινοτομίας που ορίζει το Ινστιτούτο Smalley-Curl», δήλωσε ο Junichiro Kono, διευθυντής του ινστιτούτου και συν-συγγραφέας της μελέτης. «Προωθεί την αποστολή μας να ενισχύσουμε τη διεπιστημονική συνεργασία σε πολλούς τομείς, φέρνοντας κοντά τη φυσική, την επιστήμη των υλικών και τη μηχανική για να εξερευνήσουν νέες κβαντικές συμπεριφορές στην ύλη».

Πηγή: pagenews.gr