Ovatko kvanttimateriaalit käyttökelpoisia?

Ihmiset ajattelevat usein kvanttimateriaaleja eksoottisina kuriositeetteina.

Mutta jotkin kvanttimateriaalit ovat jo osa tietokoneidemme kiintolevyjä, televisioruutuja ja lääkinnällisiä laitteita.

Silti valtaosa kvanttimateriaaleista ei koskaan saavuta paljoakaan merkitystä laboratorion ulkopuolella.

Mikä tekee tietyistä kvanttimateriaaleista kaupallisia menestysmateriaaleja ja toisista kaupallisesti merkityksettömiä? Jos tutkijat tietäisivät, he voisivat suunnata ponnistelunsa lupaavampiin materiaaleihin – mikä on iso juttu, koska he saattavat käyttää vuosia yhden materiaalin tutkimiseen.

MIT:n tutkijat ovat nyt kehittäneet järjestelmän kvanttimateriaalien skaalauspotentiaalin arvioimiseksi.

Heidän viitekehyksensä yhdistää materiaalin kvanttikäyttäytymisen sen kustannuksiin, toimitusketjun kestävyyteen, ympäristöjalanjälkeen ja muihin tekijöihin.

Tutkijat käyttivät viitekehystään arvioidakseen yli 16 000 materiaalia ja havaitsivat, että materiaalit, joilla on suurin kvanttivaihtelu elektronien keskuksissa, ovat myös yleensä kalliimpia ja ympäristölle haitallisempia.

Tutkijat tunnistivat myös joukon materiaaleja, jotka saavuttavat tasapainon kvanttifunktionaalisuuden ja kestävyyden välillä jatkotutkimuksia ajatellen.

Tiimi toivoo, että heidän lähestymistapansa auttaa ohjaamaan kaupallisesti kannattavampien kvanttimateriaalien kehittämistä, joita voitaisiin käyttää seuraavan sukupolven mikroelektroniikassa, energiankeruusovelluksissa, lääketieteellisessä diagnostiikassa ja monessa muussa.

”Kvanttimateriaaleja tutkivat ihmiset ovat hyvin keskittyneitä niiden ominaisuuksiin ja kvanttimekaniikkaan”, sanoo Mingda Li, työn vanhempi kirjoittaja. ”Jostain syystä heillä on luonnostaan vastustus kustannusten ja muiden tekijöiden ajattelemiselle perusmateriaalitutkimuksen aikana.

Li ja hänen yhteistyökumppaninsa halusivat auttaa tutkijoita keskittymään kvanttimateriaaleihin, joilla on enemmän potentiaalia teollisuuden käyttöön.

Tutkijat tunnistivat 200 ympäristön kannalta kestävää materiaalia ja tarkensivat listaa edelleen 31 materiaalikandidaattiin, jotka saavuttivat optimaalisen tasapainon kvanttifunktionaalisuuden ja suuren potentiaalisen vaikutuksen välillä.

”Keskustelimme puolijohdeyritysten ihmisten kanssa, jotka sanoivat joidenkin näiden materiaalien olevan heille todella mielenkiintoisia, ja myös kemistimme tunnistivat joitakin materiaaleja, joita he pitävät todella mielenkiintoisina tämän työn kautta”, Palacios sanoo. ”Nyt haluamme tutkia kokeellisesti näitä halvempia topologisia materiaaleja ymmärtääksemme niiden suorituskykyä paremmin.”

”Aurinkokennojen hyötysuhderaja on 34 prosenttia, mutta monien topologisten materiaalien teoreettinen raja on 89 prosenttia. Lisäksi energiaa voidaan kerätä kaikilta sähkömagneettisilta taajuusalueilta, myös kehomme lämmöltä”, Fu sanoo. ”Jos saavuttaisimme nuo rajat, voisimme helposti ladata matkapuhelimen kehon lämmöllä. Nämä ovat suorituskykyjä, jotka on osoitettu laboratorioissa, mutta joita ei koskaan voitaisi skaalata suurempaan mittakaavaan. Juuri tällaisiaasioita yritämme edistää.”

Aiheesta aiemmin:

Kvanttiaineen ytimen geometria

Valon manipuloinnille uudet säännöt

Eksoottisen materiaalin magnetismi avaa tien vankoille kvanttitietokoneille