Voiko energiahäviö olla nolla 1,58-mitoissa?

Entä jos löytäisimme tavan saada sähkövirrat kulkemaan ilman energiahävikkiä? Lupaava lähestymistapa tällaiseen löytyy topologisien eristeiden käytöstä. Niiden tiedetään omaavan yksi (lanka), kaksi (arkki) ja kolme (kuutio) ulottuvuutta; joilla kaikilla on erilaisia mahdollisilla sovelluksilla elektronisissa laitteissa.

QuMAT-konsortiossa Utrechtin yliopiston teoreettiset fyysikot yhdessä Shanghai Jiao Tong -yliopiston tutkijoiden kanssa ovat osoittaneet, että voi olla monia tiloja, joissa ei ole energiahäviötä, ja sellainen saattaa olla jossain yhden ja kahden ulottuvuuden välillä.

Tällaisissa esimerkiksi 1,58:n mitoissa olevia topologisia eristeitä voitaisiin käyttää energiatehokkaaseen tietojenkäsittelyyn.

Voi olla vaikea kuvitella 1,58-mittoja, mutta idea on tutumpi kuin luuletkaan. Tällaisia ulottuvuuksia löytyy fraktaalirakenteista, kuten keuhkoistasi, aivojen hermosolujen verkostosta tai Romanesco-parsakaalista.

Kasvattamalla kemiallista alkuainetta (vismuttia) puolijohteen (indiumantimonidi) päälle kiinalaiset tiedemiehet saivat aikaan fraktaalirakenteita, jotka muodostuivat spontaanisti kasvuolosuhteita vaihtelemalla. Utrechtin tutkijat osoittivat sitten teoreettisesti, että näistä rakenteista syntyi nollaulotteisia kulmatiloja ja häviöttömästi yksiulotteisia reunatiloja.

"Katsomalla ulottuvuuksien väliä löysimme parhaan kahdesta maailmasta", sanoo Cristiane Morais Smith, joka on johtanut teoreettista tutkimusta Utrechtin yliopistossa.

"Fraktaalit käyttäytyvät kuin kaksiulotteiset topologiset eristeet äärellisillä energioilla, ja samalla niiden kulmissa on nollaenergialla tila, jota voitaisiin käyttää kubittina, kvanttitietokoneiden rakennuspalikoita. Näin ollen löytö avaa uusia polkuja kauan toivotuille kubiteille."

Jatkotutkimuksessa Kiinassa toimiva koeryhmä yrittää kasvattaa suprajohteen fraktaalirakenteen päälle. Näissä fraktaaleissa on monia aukkoja ja monien niiden ympärillä kulkee häviöttömät virrat. Niitä voitaisiin käyttää energiatehokkaassa tietojenkäsittelyssä.

Rakenteiden kulmissa on myös nollaenergiatiloja, mikä yhdistää yksiulotteisen ja kaksiulotteisen maailman parhaat puolet Morais Smithin mukaan.

"Jos tämä toimii, se saattaa paljastaa vielä enemmän odottamattomia salaisuuksia ulottuvuudessa 1.58", hän sanoo. "Fraktaalien topologiset piirteet osoittavat todella rikkautta mennessään kartoittamattomiin ulottuvuuksiin."

Aiheesta aiemmin:

Uusia ja yllättäviä topologiota

Kohti topologisia kubitteja

Uusia näkemyksiä suprajohtavuuden tutkimuksiin