Värähtelyt ja Brownin liike materiaalien muokkauksessa

Maailma ei ole koskaan oikeasti levossa. Kvanttifluktuaatioita esiintyy jopa lähellä äärimmäisen kylmiä lämpötiloja olevassa tyhjiössä, jossa kaiken klassisen liikkeen pitäisi pysähtyä.

Ohuissa, kaksiulotteisissa materiaaleissa näihin kuuluvat satunnaiset värähtelyt, jotka voivat muuttaa sähkömagneettisia kenttiä. Teoreetikot ovat esittäneet ominaisuuden, joka voisi olla varsin hyödyllinen materiaalien muokkaamisessa.

”Se on pyhä Graalin malja, jota olemme etsineet vuosikymmeniä”, sanoi Dmitri Basov, fysiikan professori Columbian yliopistosta. ”Uskomme löytäneemme sen.”

Tutkimusartikkelissa Basov ja yhteistyökumppanit vahvistivat, että pelkästään 2D-materiaalien atominohuiden kerrosten sisällä olevan tyhjiön aiheuttamat kvanttifluktuaatiot voivat muuttaa lähellä olevan suuremman kiteen ominaisuuksia – teoreettinen mahdollisuus, joka on nyt ensimmäistä kertaa kokeellisesti toteutettu. 

Tutkijat todistivat tuloksensa boorinitridihiutaleen (hBN) ja suprajohtavan materiaalin κ-ET:n avulla. Työssä tutkittiin miten suprajohtavuus muuttuu hBN/κ-ET-rajapinnassa.

hBN:n värähtelyjä voidaan säätää esimerkiksi muuttamalla sen paksuutta. ”Jos pystymme hallitsemaan näitä, voimme virittää suprajohdettamme mielemme mukaan. Mutta emme puhu vain suprajohteista”, Itai Keren sanoi. Erilaisilla magneeteilla ja ferrosähköisillä materiaaleilla on tiettyjä värähtelyjä, jotka liittyvät näihin ominaisuuksiin; joten sopivan ontelon löytäminen voi olla kaikki mitä tarvitaan näiden materiaalien muokkaamiseen. ”Odotamme näkevämme muiden etsivän uusia yhdistelmiä”, Keren sanoi.

Kvanttiontelon tyhjiöstä on syntymässä kokonaan uusi tapa suunnitella materiaaleja, päättelevät tutkijat yliopistonsa tiedotteessa.

Leidenin yliopiston tutkijat ovat esitelleet maailman ensimmäiset mikroskooppisessa mittakaavassa toimivat metamateriaalit, jotka voivat kutistua ja laajentua itsestään

”Metamateriaalit ovat muuttaneet täysin tapaamme ajatella materiaaleja”, selittää professori Daniela Kraft. ”Näissä järjestelmissä liikkeitä ei enää määrää itse materiaali, vaan rakenne – tapa, jolla hiukkaset ovat yhteydessä toisiinsa. Lähdimme luomaan tällaisia toiminnallisia rakenteita mikroskooppisessa mittakaavassa. Ja onnistuimme.”

Tutkijaryhmä suunnitteli kolloidisista mikrohiukkasista, pienistä piidioksidipalloista, valmistetun metamateriaalin. Tohtoriopiskelija Melio kokosi nämä hiukkaset huolellisesti suunnitelluiksi rakennepalikoiksi.

Niiden avulla he toteuttivat arkkityyppiset pyörivän timantin ja pyörivän kolmion eli kagomen geometriat ja osoittivat, kuinka lämpötilavaihtelut ohjaavat niiden ennustettuja aukseettisia muodonmuutoksia.

Lopuksi kolloidisiin nivelpisteisiin lisättiin magneettisia hiukkasia, jolloin saatiin kolloidisia metamateriaaleja, joita voidaan ohjata ulkoisesti, kun käytetään Brownin liikettä tarkasti ohjattuihin muodonmuutoksiin.

Tutkijoiden mukaan työ esittelee strategian Brownmaisien mekaanisten metamateriaalien luomiseksi helposti aktivoitavilla muodonmuutosmoodeilla.

Aiheista aiemmin:

Kvanttifaaseja kehitellen

Pikofotoniikan synty: Kohti aikakidemateriaaleja